1.Winsock同步阻塞方式的问题

在异步非阻塞模式下,像accept(WSAAccept),recv(recv,WSARecv,WSARecvFrom)等这样的winsock函数调用后马上返回,而不是等待可用的连接和数据。在阻塞模式下,server往往这样等待client的连接:

while(TRUE)
{
    //wait for a connection
     ClientSocket = accept(ListenSocket,NULL,NULL);
    if(ClientSocket == INVALID_SOCKET)
     {
         ERRORHANDLE
     }
     else
         DoSomething
}

上述代码简单易用,但是缺点在于如果没有client连接的话,accept一直不会返回,而且即使accept成功创建会话套接字,在阻塞方式下,C/S间传输数据依然要将recv,send这类函数放到一个循环中,反复等待数据的到来,这种轮询的方式效率很低。为此,Winsock提供了异步模式的5种I/O模型,这些模型会在有网络事件(如socket收到连接请求,读取收到的数据请求等等)时通过监视集合(select),事件对象(WSAEventSelect,重叠I/O),窗口消息(WSAAsyncSelect),回调函数(重叠I/O),完成端口的方式通知程序,告诉我们可以“干活了”,这样的话大大的提高了执行效率,程序只需枕戈待旦,兵来将挡水来土掩,通知我们来什么网络事件,就做相应的处理即可。

2.WSAEventSelect模型的使用

WSAEventSelect模型其实很简单,就是将一个事件对象同一个socket绑定并设置要监视的网络事件,当这个socket有我们感兴趣的网络事件到达时,ws2_32.dll就将这个事件对象置为受信状态(signaled),在程序中等待这个事件对象受信后,根据网络事件类型做不同的处理。如果对线程同步机制有些了解的话,这个模型很容易理解,其实就是CreateEvent系列的winsock版。

无代码无真相,具体API的参数含义可以参考MSDN,MSDN上对这个模型解释的非常详尽。

    // 使用WSAEventSelect的代码片段,百度贴吧字数限制,略去错误处理及界面操作
    // 为了能和多个客户端通信,使用两个数组分别记录所有通信的会话套接字
    // 以及和这些套接字绑定的事件对象
    // WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS是系统内部定义的宏,值为64

SOCKET g_sockArray[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];
     WSAEVENT g_eventArray[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];

// 事件对象计数器
    int nEventTotal = 0;

// 创建监听套接字sListenSocket,并对其绑定端口和本机ip 代码省去
     ........

// 设置sListenSocket为监听状态
     listen(sListenSocket, 5);

// 创建事件对象,同CreateEvent一样,event创建后被置为非受信状态
     WSAEVENT acceptEvent = WSACreateEvent();

// 将sListenSocket和acceptEvent关联起来
    // 并注册程序感兴趣的网络事件FD_ACCEPT 和 FD_CLOSE
    // 这里由于是在等待客户端connect,所以FD_ACCEPT和FD_CLOSE是我们关心的
     WSAEventSelect(sListenSocket, acceptEvent, FD_ACCEPT|FD_CLOSE);

// 添加到数组中
     g_eventArray[nEventTotal] = acceptEvent;
     g_sockArray[nEventTotal] = sListenSocket;    
     nEventTotal++;

// 处理网络事件
    while(TRUE)
     {
        // 由于第三个参数是 FALSE,所以 g_eventArray 数组中有一个元素受信 WSAWaitForMultipleEvents 就返回
        // 注意 返回值 nIndex 减去 WSA_WAIT_EVENT_0 的值才是受信事件在数组中的索引。
        // 如果有多个事件同时受信,函数返回索引值最小的那个。
        // 由于第四个参数指定 WSA_INFINITE ,所以没有对象受信时会无限等待。
        int nIndex = WSAWaitForMultipleEvents(nEventTotal, g_eventArray, FALSE, WSA_INFINITE, FALSE);

// 取得受信事件在数组中的位置。
         nIndex = nIndex - WSA_WAIT_EVENT_0;

// 判断受信事件 g_eventArray[nIndex] 所关联的套接字 g_sockArray[nIndex] 的网络事件类型
        // MSDN中说如果事件对象不是NULL, WSAEnumNetworkEvents 会帮咱重置该事件对象为非受信,方便等待新的网络事件
        // 也就是说这里的 g_eventArray[nIndex] 变为非受信了,所以程序中不用再调用 WSAResetEvent了
        // WSANETWORKEVENTS 这个结构中 记录了关于g_sockArray[nIndex] 的网络事件和错误码
         WSANETWORKEVENTS event;
         WSAEnumNetworkEvents(g_sockArray[nIndex], g_eventArray[nIndex], &event);

// 这里处理 FD_ACCEPT 这个网络事件
        // event.lNetWorkEvents中记录的是网络事件类型
        if(event.lNetworkEvents & FD_ACCEPT)
         {
            // event.iErrorCode是错误代码数组,event.iErrorCode[FD_ACCEPT_BIT] 为0表示正常
            if(event.iErrorCode[FD_ACCEPT_BIT] == 0)
             {
                // 连接数超过系统约定的范围
                if(nEventTotal > WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS)
                 {    
                     ErrorHandle...
                    continue;
                 }
                // 没有问题就可以accept了
                 SOCKET sAcceptSocket = accept(g_sockArray[nIndex], NULL, NULL);

// 新建的会话套接字用于C/S间的数据传输,所以这里关心FD_READ,FD_CLOSE,FD_WRITE三个事件
                 WSAEVENT event = WSACreateEvent();
                 WSAEventSelect(sAcceptSocket, event, FD_READ|FD_CLOSE|FD_WRITE);

// 将新建的会话套接字及与该套接字关联的事件对象添加到数组中
                 g_eventArray[nEventTotal] = event;
                 g_sockArray[nEventTotal] = sAcceptSocket;    
                 nEventTotal++;
             }

//event.iErrorCode[FD_ACCEPT_BIT] != 0 出错了
             else
             {
                 ErrorHandle...
                break;
             }
         }

// 这里处理FD_READ通知消息,当会话套接字上有数据到来时,ws2_32.dll会记录该事件
         else if(event.lNetworkEvents & FD_READ)    
         {
            if(event.iErrorCode[FD_READ_BIT] == 0)
             {
                int nRecv = recv(g_sockArray[nIndex], buffer, nbuffersize, 0);
                if(nRecv == SOCKET_ERROR)                
                 {
                    // 为了程序更鲁棒,这里要特别处理一下WSAEWOULDBLOCK这个错误
                    // MSDN中说在异步模式下有时recv(WSARecv)读取时winsock的缓冲区中没有数据,导致recv立即返回
                    // 错误码就是 WSAEWOULDBLOCK,但这时程序并没有出问题,在有新的数据到来时recv还是可以读到数据的
                    // 所以不能仅仅根据recv返回值是SOCKET_ERROR就认为出错从而执行退出操作。
                    //如果错误码不是WSAEWOULDBLOCK 则表示真的出错了
                    if(WSAGetLastError() != WSAEWOULDBLOCK)
                     {    
                         ErrorHandle...
                        break;
                     }
                 }
                // 没出任何错误
                 else
                     DoSomeThing...
             }

// event.iErrorCode[FD_READ_BIT] != 0
             else
             {
                 ErrorHandle...
                break;
             }
         }

// 这里处理FD_CLOSE通知消息
        // 当连接被关闭时,ws2_32.dll会记录FD_CLOSE事件
         else if(event.lNetworkEvents & FD_CLOSE)
         {
            if(event.iErrorCode[FD_CLOSE_BIT] == 0)
             {
                 closesocket(g_sockArray[nIndex]);
                                 // 将g_sockArray[nIndex]从g_sockArray数组中删除
                for(int j=nIndex; j<nEventTotal-1; j++)
                     g_sockArray[j] = g_sockArray[j+1];    
                 nEventTotal--;
             }

// event.iErrorCode[FD_CLOSE_BIT] != 0
             else
             {
                 ErrorHandle...
                break;
             }
         }

// 处理FD_WRITE通知消息
        // FD_WRITE事件其实就是ws2_32.dll告诉我们winsock的缓冲区已经ok,可以发送数据了
        // 同recv一样,send(WSASend)的返回值也要对SOCKET_ERROR特殊判断一下 WSAEWOULDBLOCK
         else if(event.lNetworkEvents & FD_WRITE)        
         {
            //关于FD_WRITE的讨论在下面。
         }
     }

// 如果出错退出循环 则将套接字数组中的套接字与事件对象统统解除关联
    // 给WSAEventSelect的最后一个参数传0可以解除g_sockArray[nIndex]和g_eventArray[nIndex]的关联
    // 解除关联后,ws2_32.dll将停止记录g_sockArray[nIndex]这个套接字的网络事件
    // 退出时还要关闭所有创建的套接字和事件对象

for(int i = 0; i < nEventTotal; i++)
     {
         WSAEventSelect(g_sockArray[i], g_eventArray[i], 0);    
         closesocket(g_sockArray[i]);
         WSACloseEvent(g_eventArray[i]);
     }

nEventTotal = 0;

DoSomethingElse....

3.FD_WRITE 事件的触发

常见的网络事件中,FD_ACCEPT和FD_READ都比较好理解。一开始我唯一困惑的就是FD_WRITE,搞不清楚到底什么时候才会触发这个网络事件,后来仔细查了MSDN又看了一些文章并测试了下,终于搞懂了FD_WRITE的触发机制。

下面是MSDN中对FD_WRITE触发机制的解释:

The FD_WRITE network event is handled slightly differently. An FD_WRITE network event is recorded when a socket is first connected with connect/WSAConnect or accepted with accept/WSAAccept, and then after a send fails with WSAEWOULDBLOCK and buffer space becomes available. Therefore, an application can assume that sends are possible starting from the first FD_WRITE network event setting and lasting until a send returns WSAEWOULDBLOCK. After such a failure the application will find out that sends are again possible when an FD_WRITE network event is recorded and the associated event object is set

FD_WRITE事件只有在以下三种情况下才会触发

①client 通过connect(WSAConnect)首次和server建立连接时,在client端会触发FD_WRITE事件

②server通过accept(WSAAccept)接受client连接请求时,在server端会触发FD_WRITE事件

③send(WSASend)/sendto(WSASendTo)发送失败返回WSAEWOULDBLOCK,并且当缓冲区有可用空间时,则会触发FD_WRITE事件

①②其实是同一种情况,在第一次建立连接时,C/S端都会触发一个FD_WRITE事件。

主要是③这种情况:send出去的数据其实都先存在winsock的发送缓冲区中,然后才发送出去,如果缓冲区满了,那么再调用send(WSASend,sendto,WSASendTo)的话,就会返回一个 WSAEWOULDBLOCK的错误码,接下来随着发送缓冲区中的数据被发送出去,缓冲区中出现可用空间时,一个 FD_WRITE 事件才会被触发,这里比较容易混淆的是 FD_WRITE 触发的前提是 缓冲区要先被充满然后随着数据的发送又出现可用空间,而不是缓冲区中有可用空间,也就是说像如下的调用方式可能出现问题

else if(event.lNetworkEvents & FD_WRITE)
{
    if(event.iErrorCode[FD_WRITE_BIT] == 0)
     {
         send(g_sockArray[nIndex], buffer, buffersize);
         ....
     }
     else
     {
     }
}

问题在于建立连接后 FD_WRITE 第一次被触发, 如果send发送的数据不足以充满缓冲区,虽然缓冲区中仍有空闲空间,但是 FD_WRITE 不会再被触发,程序永远也等不到可以发送的网络事件。

基于以上原因,在收到FD_WRITE事件时,程序就用循环或线程不停的send数据,直至send返回WSAEWOULDBLOCK,表明缓冲区已满,再退出循环或线程。当缓冲区中又有新的空闲空间时,FD_WRITE 事件又被触发,程序被通知后又可发送数据了。

上面代码片段中省略的对 FD_WRITE 事件处理

else if(event.lNetworkEvents & FD_WRITE)
{
    if(event.iErrorCode[FD_WRITE_BIT] == 0)
     {
        while(TRUE)
         {
            // 得到要发送的buffer,可以是用户的输入,从文件中读取等
             GetBuffer....
            if(send(g_sockArray[nIndex], buffer, buffersize, 0) == SOCKET_ERROR)
             {
                // 发送缓冲区已满
                if(WSAGetLastError() == WSAEWOULDBLOCK)
                    break;
                 else
                     ErrorHandle...
             }
         }
     }
     else
     {
         ErrorHandle..
        break;
     }
}

P.S.

1.WSAWaitForMultipleEvents内部调用的还是WaitForMulipleObjectsEx,MSDN中说使用WSAEventSelect模型等待时是不占cpu时间的,这也是效率比阻塞winsock高的原因。

2.WSAAsycSelect的用法和WSAEventSelect类似,不同的是网络事件的通知是以windows消息的方式发送到指定的窗口。

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