网络通信编程技术3.ppt

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1、第3 章 Windows 套接字I/O 模型 阻塞（blocking）模型选择（select）模型WSAAsyncSelect 模型WSAEventSelect 模型重叠（overlapped）模型完成端口（completion port）模型3.1.1 阻塞模式套接字创建时，默认工作在阻塞模式下。例如，对recv 函数的调用会使程序进入等待状态，直到接收到数据才返回。第2 章的示例程序都是这种情况。大多数Winsock 程序设计者都是从阻塞套接字模式开始学习的，因为这是最容易和最直接的方式。处理阻塞模式套接字的应用程序使用的程序框架便是阻塞模型。此模型是非常容易理解的。阻塞套接字的好处是使用

2、简单，但是当需要处理多个套接字连接时，就必须创建多个线程，即典型的一个连接使用一个线程的问题，这给编程带来了许多不便。所以实际开发中使用最多的还是下面要讲述的非阻塞模式。3.1.2 非阻塞模式非阻塞套接字使用起来比较复杂，但是却有许多优点。应用程序可以调用ioctlsocket 函数显式地让套接字工作在非阻塞模式下，如下代码所示。u_long ul=1;SOCKET s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);ioctlsocket(s,FIONBIO,(u_long*)&ul);一旦套接字被置于非阻塞模式，处理发送和接收数据或者管理连接的Winsock 调用将会立即返回。

3、大多少情况下，调用失败的出错代码是WSAEWOULDBLOCK，这意味着请求的操作在调用期间没有完成。例如，如果系统输入缓冲区中没有待处理的数据，那么对recv 的调用将返回WSAEWOULDBLOCK。通常，要对相同函数调用多次，直到它返回成功为止。非阻塞调用经常以WSAEWOULDBLOCK 出错代码失败，所以将套接字设置为非阻塞之后，关键的问题在于如何确定套接字什么时候可读/可写，也就是说确定网络事件何时发生。如果需要自己不断调用函数去测试的话，程序的性能势必会受到影响，解决的办法就是使用Windows 提供的不同的I/O 模型，3.2 选择（select）模型select 模型是一个广

4、泛在Winsock 中使用的I/O 模型。称它为select 模型，是因为它主要是使用select 函数来管理I/O 的。这个模式的设计源于UNIX 系统，目的是允许那些想要避免在套接字调用上阻塞的应用程序有能力管理多个套接字。3.2.1 select 函数select 函数可以确定一个或者多个套接字的状态。如果套接字上没有网络事件发生，便进入等待状态，以便执行同步I/O。函数定义如下。int select(int nfds,/忽略，仅是为了与Berkeley 套接字兼容fd_set*readfds,/指向一个套接字集合，用来检查其可读性 fd_set*writefds,/指向一个套接字集合，

5、用来检查其可写性 fd_set*exceptfds,/指向一个套接字集合，用来检查错误const struct timeval*timeout/指定此函数等待的最长时间，如果为NULL，则最长时间为无限大);函数调用成功，返回发生网络事件的所有套接字数量的总和。如果超过了时间限制，返回0，失败则返回SOCKET_ERROR。1套接字集合fd_set 结构可以把多个套接字连在一起，形成一个套接字集合。select 函数可以测试这个集合中哪些套接字有事件发生。下面是这个结构在WINSOCK2.h 中的定义。3.2.1 select 函数1套接字集合fd_set 结构可以把多个套接字连在一起，形成一

6、个套接字集合。select 函数可以测试这个集合中哪些套接字有事件发生。下面是这个结构在WINSOCK2.h 中的定义。typedef struct fd_set u_int fd_count;/下面数组的大小 SOCKET fd_arrayFD_SETSIZE;/套接字句柄数组 fd_set;下面是WINSOCK 定义的4 个操作fd_set 套接字集合的宏。3.2.1 select 函数FD_ZERO(*set)初始化set 为空集合。集合在使用前应该总是清空z FD_CLR(s,*set)从set 移除套接字s z FD_ISSET(s,*set)检查s 是不是set 的成员，如果是返回

7、TRUE z FD_SET(s,*set)添加套接字到集合3.2.1 select 函数网络事件传递给select 函数的3 个fd_set 结构中，一个是为了检查可读性（readfds），一个是为了检查可写性（writefds），另一个是为了检查错误（exceptfds）。select 函数返回之后，如果有下列事件发生，其对应的套接字就会被标识。3.2.1 select 函数下面的例子示例了select 函数的用法。程序运行之后，在4567 端口监听，接受客户端连接请求，打印出接收到的数据。大家可以看到采用select 模型之后，即便是在单个线程中，也可以管理多个套接字。具体编程流程如下：（

8、1）初始化套接字集合fdSocket，向这个集合添加监听套接字句柄。（2）将fdSocket 集合的拷贝fdRead 传递给select 函数，当有事件发生时，select 函数移除fdRead 集合中没有未决I/O 操作的套接字句柄，然后返回。（3）比较原来fdSocket 集合与select 处理过的fdRead 集合，确定哪些套接字有未决I/O，并进一步处理这些I/O。（4）回到第2 步继续进行选择处理。3.2.1 select 函数实际例程3.3 WSAAsyncSelect 模型WSAAsyncSelect 模型允许应用程序以Windows 消息的形式接收网络事件通知。这个模型是为了

9、适应Windows 的消息驱动环境而设置的，现在许多对性能要求不高的网络应用程序都采用WSAAsyncSelect 模型，MFC（Microsoft Foundation Class，Microsoft 基础类库）中的CSocket 类也使用了它。3.3 WSAAsyncSelect 模型3.3.1 消息通知和WSAAsyncSelect 函数WSAAsyncSelect 函数自动把套接字设为非阻塞模式，并且为套接字绑定一个窗口句柄，当有网络事件发生时，便向这个窗口发送消息。函数用法如下。int WSAAsyncSelect(SOCKET s,/需要设置的套接字句柄 HWND hWnd,/指定

10、一个窗口句柄，/套接字的通知消息将被发送到与其对应的窗口过程中 u_int wMsg,/网络事件到来时接收到的消息ID，/可以在WM_USER 以上的数值中任意选择一个用做ID。long lEvent/指定哪些通知码需要发送 );3.3 WSAAsyncSelect 模型最后一个参数lEvent 指定了要发送的通知码，可以是如下取值的组合：z FD_READ 套接字接收到对方发送过来的数据包，表明这时可以去读套接字了z FD_WRITE 数据缓冲区满后再次变空时，WinSock 接口通过该通知码通知应用程序。表示可以继续发送数据了（短时间内发送数据过多，便会造成数据缓冲区变满）z FD_ACC

11、EPT 监听中的套接字检测到有连接进入z FD_CONNECT 如果用套接字去连接对方的主机，当连接动作完成以后会接收到这个通知码z FD_CLOSE 检测到套接字对应的连接被关闭例如，在监听套接字上可以这样调用WSAAsyncSelect 函数：:WSAAsyncSelect(sListen,hWnd,WM_SOCKET,FD_ACCEPT|FD_CLOSE);/WM_SOCKET 为自定义消息上述代码将套接字sListen 设为窗口通知消息类型。WM_SOCKET 为自定义网络通知消息，FD_CLOSE|FD_ACCEPT 指定了sListen 套接字只接收FD_CLOSE 和FD_ACC

12、EPT 通知消息。当有客户连接或套接字关闭时，Winsock 接口将向指定的窗口发送WM_SOCKET 消息。3.3 WSAAsyncSelect 模型最后一个参数lEvent 指定了要发送的通知码，可以是如下取值的组合：z FD_READ 套接字接收到对方发送过来的数据包，表明这时可以去读套接字了z FD_WRITE 数据缓冲区满后再次变空时，WinSock 接口通过该通知码通知应用程序。表示可以继续发送数据了（短时间内发送数据过多，便会造成数据缓冲区变满）z FD_ACCEPT 监听中的套接字检测到有连接进入z FD_CONNECT 如果用套接字去连接对方的主机，当连接动作完成以后会接收到

13、这个通知码z FD_CLOSE 检测到套接字对应的连接被关闭例如，在监听套接字上可以这样调用WSAAsyncSelect 函数：:WSAAsyncSelect(sListen,hWnd,WM_SOCKET,FD_ACCEPT|FD_CLOSE);/WM_SOCKET 为自定义消息上述代码将套接字sListen 设为窗口通知消息类型。WM_SOCKET 为自定义网络通知消息，FD_CLOSE|FD_ACCEPT 指定了sListen 套接字只接收FD_CLOSE 和FD_ACCEPT 通知消息。当有客户连接或套接字关闭时，Winsock 接口将向指定的窗口发送WM_SOCKET 消息。3.3 W

14、SAAsyncSelect 模型成功调用WSAAsyncSelect 之后，应用程序便开始以Windows 消息的形式在窗口函数接收网络事件通知。下面是窗口函数的定义。LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd,UINT uMsg,WPARAM wParam,LPARAM lParam);wParam 参数指定了发生网络事件的套接字句柄，lParam 参数的低字位指定了发生的网络事件，高字位包含了任何可能出现的错误代码，可以使用宏WSAGETSELECTERROR 和WSAGETSELECTEVENT 将这些信息取出，这两个宏定义在Winsock2.h 文件中。

15、#define WSAGETSELECTERROR(lParam)HIWORD(lParam)/高字为出错代码#define WSAGETSELECTEVENT(lParam)LOWORD(lParam)/低字为通知码如果没有错误发生，出错代码为0，程序可以继续检查通知码，以确定发生的网络事件。3.3 WSAAsyncSelect 模型3.3.2 应用举例。3.4 WSAEventSelect 模型Winsock 提供了另一种有用的异步事件通知I/O 模型WSAEventSelect 模型。这个模型与WSAAsyncSelect 模型类似，允许应用程序在一个或者多个套接字上接收基于事件的网络通

16、知。它与WSAAsyncSelect 模型类似是因为它也接收FD_XXX 类型的网络事件，不过并不是依靠Windows 的消息驱动机制，而是经由事件对象句柄通知。3.4.1 WSAEventSelect 函数使用这个模型的基本思路是为感兴趣的一组网络事件创建一个事件对象，再调用WSAEventSelect 函数将网络事件和事件对象关联起来。当网络事件发生时，Winsock 使相应的事件对象受信，在事件对象上的等待函数就会返回。之后，调用WSAEnumNetworkEvents 函数便可获取到底发生了什么网络事件。Winsock 中创建事件对象的函数是WSACreateEvent，定义如下：WS

17、AEVENT WSACreateEvent(void);/返回一个手工重置的事件对象句柄创建事件对象之后，必须调用WSAEventSelect 函数将指定的一组网络事件与它关联在一起，函数用法如下。int WSAEventSelect(SOCKET s,/套接字句柄 WSAEVENT hEventObject,/事件对象句柄 long lNetworkEvents/感兴趣的FD_XXX 网络事件的组合);网络事件与事件对象关联之后，应用程序便可以在事件对象上等待了。Winsock 提供了WSAWaitForMultipleEvents 函数在一个或多个事件对象上等待，当所等待的事件对象受信，或

18、者指定的时间过去时，此函数返回。WSAWaitForMultipleEvents 函数用法如下。DWORD WSAWaitForMultipleEvents(DWORD cEvents,/指定下面lphEvents 所指的数组中事件对象句柄的个数 const WSAEVENT*lphEvents,/指向一个事件对象句柄数组BOOL fWaitAll,/指定是否等待所有事件对象都变成受信状态3.4.1 WSAEventSelect 函数DWORD dwTimeout,/指定要等待的时间，WSA_INFINITE 为无穷大BOOL fAlertable/在使用WSAEventSelect 模型时可

19、以忽略，应设为FALSE);WSAWaitForMultipleEvents 最多支持WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS 个对象，WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS 被定义为64。因此，这个I/O 模型在一个线程中同一时间最多能支持64 个套接字，如果需要使用这个模型管理更多套接字，就需要创建额外的工作线程了。WSAWaitForMultipleEvents 函数会等待网络事件的发生。如果过了指定的时间，函数返回WSA_WAIT_TIMEOUT；如果在指定时间内有网络事件发生，函数的返回值会指明是哪一个事件对象促使函数返回的；函数调用失败时返回值是WSA_WAIT_FA

20、ILED。也可以将dwTimeout 的值设为0，这时函数测试指定事件对象的状态，并立即返回，通过函数的返回值便可知道事件对象是否受信。注意，将fWaitAll 参数设为FALSE 以后，如果同时有几个事件对象受信，WSAWaitForMultipleEvents 函数的返回值也仅能指明一个，就是句柄数组中最前面的那个。如果指明的这个事件对象总有网络时间发生，那么后面其他事件对象所关联的网络事件就得不到处理了。解决办法是，WSAWaitForMultipleEvents 函数返回后，对每个事件都再次调用WSAWaitForMultipleEvents 函数，以便确定其状态。具体过程请参考后面的

21、实例代码。3.4.1 WSAEventSelect 函数一旦事件对象受信，那么找到与之对应的套接字，然后调用WSAEnumNetworkEvents 函数即可查看发生了什么网络事件，函数用法如下。int WSAEnumNetworkEvents(SOCKET s,/套接字句柄 WSAEVENT hEventObject,/对应的事件对象句柄。如果提供了此参数，本函数会重置这个事件对象的状态 LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents/指向一个WSANETWORKEVENTS 结构);最后一个参数用来取得在套接字上发生的网络事件和相关的出错代码，其结构定义如下。type

22、def struct _WSANETWORKEVENTS long lNetworkEvents;/指定已发生的网络事件（如FD_ACCEPT、FD_READ 等）int iErrorCodeFD_MAX_EVENTS;/与lNetworkEvents 相关的出错代码 WSANETWORKEVENTS,*LPWSANETWORKEVENTS;iErrorCode 参数是一个数组，数组的每个成员对应着一个网络事件的出错代码。可以用预定义标识FD_READ_BIT、FD_WRITE_BIT 等来索引FD_READ、FD_WRITE 等事件发生时的出错代码。如下面代码片段所示。if(event.lN

23、etworkEvents&FD_READ)/处理FD_READ 通知消息3.4.2 应用举例下面使用WSAEventSelect 模型重写上节的TCP 服务器例子。使用WSAEventSelect 模型编程的基本步骤如下。（1）创建一个事件句柄表和一个对应的套接字句柄表。（2）每创建一个套接字，就创建一个事件对象，把它们的句柄分别放入上面的两个表中，并调用WSAEventSelect 添加它们的关联。（3）调用WSAWaitForMultipleEvents 在所有事件对象上等待，此函数返回后，我们对事件句柄表中的每个事件调用WSAWaitForMultipleEvents 函数，以便确认在哪

24、些套接字上发生了网络事件。（4）处理发生的网络事件，继续在事件对象上等待。下面是程序代码。3.4.3 基于WSAEventSelect 模型的服务器设计这个例子的功能和上一小节的一样，不同的是它使用了线程池，可以处理大量的客户I/O 请求。这个例子稍微复杂，但却是后面设计功能更强大的服务器程序的基础。设计的总体思路比较简单，程序的主线程负责监听客户端的连接请求，接受到新连接之后，将新套接字安排给工作线程处理I/O。每个工作线程最多处理64 个套接字，如果再有新的套接字，就再创建新的工作线程。下面先讨论两个重要的结构，然后再讲述具体的实现代码。1套接字对象程序用下面的SOCKET_OBJ 结构来

25、记录每个客户端套接字的信息。typedef struct _SOCKET_OBJ 3.4.3 基于WSAEventSelect 模型的服务器设计 SOCKET s;/套接字句柄HANDLE event;/与此套接字相关联的事件对象句柄sockaddr_in addrRemote;/客户端地址信息_SOCKET_OBJ*pNext;/指向下一个SOCKET_OBJ 对象，以连成一个表 SOCKET_OBJ,*PSOCKET_OBJ;服务器程序每接受到一个新的连接，便为新连接申请一个SOCKET_OBJ 结构，初始化该结构的成员。当连接关闭或者出错时，再释放内存空间。下面的GetSocketObj

26、 和FreeSocketObj 函数分别用于申请和释放一个SOCKET_OBJ 对象。PSOCKET_OBJ GetSocketObj(SOCKET s)/申请一个套接字对象，初始化它的成员 PSOCKET_OBJ pSocket=(PSOCKET_OBJ):GlobalAlloc(GPTR,sizeof(SOCKET_OBJ);if(pSocket!=NULL)pSocket-s=s;pSocket-event=:WSACreateEvent();return pSocket;void FreeSocketObj(PSOCKET_OBJ pSocket)/释放一个套接字对象 :CloseHa

27、ndle(pSocket-event);if(pSocket-s!=INVALID_SOCKET):closesocket(pSocket-s);:GlobalFree(pSocket);3.4.3 基于WSAEventSelect 模型的服务器设计2线程对象程序用下面的THREAD_OBJ 结构来记录每个线程的信息。typedef struct _THREAD_OBJ HANDLE eventsWSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS;/记录当前线程要等待的事件对象的句柄 int nSocketCount;/记录当前线程处理的套接字的数量 events0);:DeleteCritica

28、lSection(&pThread-cs);:GlobalFree(pThread);线程启动之后，要在events 数组记录的事件上等待。下面的RebuildArray 函数将与套接字相关联的事件对象的句柄写入这个数组。void RebuildArray(PTHREAD_OBJ pThread)/重新建立线程对象的events 数组 :EnterCriticalSection(&pThread-cs);PSOCKET_OBJ pSocket=pThread-pSockHeader;int n=1;/从第1 个开始写，第0 个用于指示需要重建了 while(pSocket!=NULL)pThread-eventsn+=pSocket-event;pSocket=pSocket-pNext;:LeaveCriticalSection(&pThread-cs);在线程运行期间，如果有新的套接字对象添加到这个线程，就使events0 事件对象受信，通知线程重新调用RebuildArray 函数建立events 数组。具体过程请参考后面的程序代码。3套接字对象和线程对象的关系套接字对象和线程对象的关系如图3.2 所示。只有弄清了它们的关系，才能完全理解本节的例子。下面按照图3.2 所示的关系，继续讲述本节服务器端程序的设计。3套接字对象和线程对象的关系