采用完成端口（IOCP）实现高性能网络服务器（Windows c++版）

前言

　TCP\IP已成为业界通讯标准。现在越来越多的程序需要联网。网络系统分为服务端和客户端，也就是c\s模式(client \ server)。client一般有一个或少数几个连接；server则需要处理大量连接。大部分情况下，只有服务端才特别考虑性能问题。本文主要介绍服务端处理方法，当然也可以用于客户端。

　 我也发表过c#版网络库。其实，我最早是从事c++开发，多年前就实现了对完成端口的封装。最近又把以前的代码整理一下，做了测试，也和c#版网络库做了粗略对比。总体上，还是c++性能要好一些。c#网络库见文章《一个高性能异步socket封装库的实现思路》。

      Windows平台下处理socket通讯有多种方式；大体可以分为阻塞模式和非阻塞模式。阻塞模式下send和recv都是阻塞的。简单讲一下这两种模式处理思路。

　　阻塞模式：比如调用send时，把要发送的数据放到网络发送缓冲区才返回。如果这时，网络发送缓冲区满了，则需要等待更久的时间。socket的收发其实也是一种IO，和读写硬盘数据有些类似。一般来讲，IO处理速度总是慢的，不要和内存处理并列。对于调用recv，至少读取一个字节数据，函数才会返回。所以对于recv，一般用一个单独的线程处理。

      非阻塞模式：send和recv都是非阻塞的；比如调用send，函数会立马返回。真正的发送结果，需要等待操作系统的再次通知。阻塞模式下一步可以完成的处理，在非阻塞模式下需要两步。就是多出的这一步，导致开发难度大大增加。高性能大并发网络服务器必须采用非阻塞模式。完成端口（IOCP）是非阻塞模式中性能最好的一种。

 　　作者多年以前，就开始从事winsocket开发，最开始是采用c++、后来采用c#。对高性能服务器设计的体会逐步加深。人要在一定的压力下才能有所成就。最开始的一个项目是移动信令分析，所处理的消息量非常大；高峰期，每秒要处理30万条信令，占用带宽500M。无论是socket通讯还是后面的数据处理，都必须非常优化。所以从项目的开始，我就谨小慎微，对性能特别在意。项目实施后，程序的处理性能出乎意料。一台服务器可以轻松处理一个省的信令数据（项目是08年开始部署，现在的硬件性能远超当时）。程序界面如下：

 

题外话 通过这个项目我也有些体会：1）不要怀疑Windows的性能，不要怀疑微软的实力。有些人遇到性能问题，或是遇到奇怪的bug，总是把责任推给操作系统；这是不负责任的表现。应该反思自己的开发水平、设计思路。2）开发过程中，需要把业务吃透；业务是开发的基石。不了解业务，不可能开发出高性能的程序。所有的处理都有取舍，每个函数都有他的适应场合。有时候需要拿来主义，有时候需要从头开发一个函数。

 

目标

　　开发出一个完善的IOCP程序是非常困难的。怎么才能化繁为简？需要把IOCP封装；同时这个封装库要有很好的适应性，能满足各种应用场景。一个好的思路就能事半功倍。我就是围绕这两个目标展开设计。

　　1 程序开发接口

　　socket处理本质上可以分为：读、写、accept、socket关闭等事件。把这些事件分为两类：a）读、accept、socket关闭 b）写；a类是从库中获取消息，b类是程序主动调用函数。对于a类消息可以调用如下函数：

//消息事件
enum Enum_MessageType :char
{
    EN_Accept = 0,
    EN_Read,
    EN_Close,
    EN_Connect
};

//返回的数据结构
class SocketMessage
{
public:
    SOCKET         Socket;
    Enum_MessageType MessageType;
    //当MessageType为EN_Connect时，BufferLen为EasyIocpLib_Connect函数的tag参数
    INT32 BufferLen;
    char *Buffer;
};

//不停的调用此函数，返回数据
SocketMessage* EasyIocpLib_GetMessage(UINT64 handle);

对于b类，就是发送数据。当调用发送时，数据被放到库的发送缓冲中，函数里面返回。接口如下：

enum EN_SEND_BUFFER_RESULT
{
    en_send_buffer_ok = 0, //放入到发送缓冲
    en_not_validate_socket, //无效的socket句柄
    en_send_buffer_full     //发送缓冲区满
};

EN_SEND_BUFFER_RESULT EasyIocpLib_SendMessage(UINT64 handle, SOCKET socket,
        char* buffer, int offset, int len, BOOL mustSend = FALSE);

　　总的思路是接收时，放到接收缓冲；发送时，放到发送缓冲。外部接口只对内存中数据操作，没有任何阻塞。

      2）具有广泛的适应性

       如果网络库可以用到各种场景，所处理的逻辑必须与业务无关。所以本库接收和发送的都是字节流。包协议一般有长度指示或有开始结束符。需要把字节流分成一个个完整的数据包。这就与业务逻辑有关了。所以要有分层处理思想：

库性能测试

　　首先对库的性能做测试，使大家对库的性能有初步印象。这些测试都不是很严格，大体能反映程序的性能。IOCP是可扩展的，就是同时处理10个连接与同时处理1000个连接，性能上没有差别。

      我的机器配置不高，cup为酷睿2 双核 E7500，相当于i3低端。

　　1）两台机器测试，一个发送，一个接收：带宽占用40M，整体cpu占用10%，程序占用cpu不超过3%。

 

 　　2）单台机器，两个程序互发：收发数据达到30M字节，相当于300M带宽，cpu占用大概25%。

　　

　　3）采用更高性能机器测试，两个程序对发数据：cpu为：i5-7500 CPU @ 3.40GHz

  

   收发数据总和80M字节每秒，接近1G带宽。cpu占用25%。

   测试程序下载地址 ：《完成端口（IOCP）性能测试程序（c++版本 64位程序）》。只有exe程序，不包括代码。

网络库设计思路

　　服务器要启动监听，当有客户端连接时，生成新的socket句柄；该socket句柄与完成端口关联，后续读写都通过完成端口完成。

1 socket监听（Accept处理）

　 关于监听处理，参考我另一篇文章《单线程实现同时监听多个端口》。

2 数据接收

　　收发数据要用到类型OVERLAPPED。需要对该类型进一步扩充，这样当从完成端口返回时，可以获取具体的数据和操作类型。这是处理完成端口一个非常重要的技巧。

//完成端口操作类型
typedef enum
{
    POST_READ_PKG, //读
    POST_SEND_PKG, //写
    POST_CONNECT_PKG,
    POST_CONNECT_RESULT
}OPERATION_TYPE;


struct PER_IO_OPERATION_DATA
{
    WSAOVERLAPPED overlap; //第一个变量，必须是操作系统定义的结构
    OPERATION_TYPE opType;
    SOCKET         socket;
    WSABUF         buf;    //要读取或发送的数据
};

 　　发送处理：overlap包含要发送的数据。调用此函数会立马返回；当有数据到达时，会有通知。

BOOL NetServer::PostRcvBuffer(SOCKET socket, PER_IO_OPERATION_DATA *overlap)
{
    DWORD flags = MSG_PARTIAL;
    DWORD numToRecvd = 0;

    overlap->opType = OPERATION_TYPE::POST_READ_PKG;
    overlap->socket = socket;

    int ret = WSARecv(socket,
        &overlap->buf,
        1,
        &numToRecvd,
        &flags,
        &(overlap->overlap),
        NULL);

    if (ret != 0)
    {
        if (WSAGetLastError() == WSA_IO_PENDING)
        {
            ret = NO_ERROR;
        }
        else
        {
            ret = SOCKET_ERROR;
        }
    }

    return (ret == NO_ERROR);
}

 从完成端口获取读数据事件通知：

DWORD NetServer::Deal_CompletionRoutine()
{
    DWORD dwBytesTransferred;
    PER_IO_OPERATION_DATA *lpPerIOData = NULL;

    ULONG_PTR    Key;
    BOOL rc;
    int error;

    while (m_bServerStart)
    {
        error = NO_ERROR;
        //从完成端口获取事件
        rc = GetQueuedCompletionStatus(
            m_hIocp,
            &dwBytesTransferred,
            &Key,
            (LPOVERLAPPED *)&lpPerIOData,
            INFINITE);

        if (rc == FALSE)
        {
            error = 123;
            if (lpPerIOData == NULL)
            {
                DWORD lastError = GetLastError();
                if (lastError == WAIT_TIMEOUT)
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                    //continue;
                    //程序结束
                    assert(false);
                    return lastError;
                }
            }
            else
            {
                if (GetNetResult(lpPerIOData, dwBytesTransferred) == FALSE)
                {
                    error = WSAGetLastError();
                }
            }
        }
        if (lpPerIOData != NULL)
        {
            switch (lpPerIOData->opType)
            {
                case POST_READ_PKG: //读函数返回
                {
                    OnIocpReadOver(*lpPerIOData, dwBytesTransferred, error);
                }
                break;

                case POST_SEND_PKG:
                {
                    OnIocpWriteOver(*lpPerIOData, dwBytesTransferred, error);
                }
                break;
            }
        }
        
    }
    return 0;
}

void NetServer::OnIocpReadOver(PER_IO_OPERATION_DATA& opData,
    DWORD nBytesTransfered, DWORD error)
{
    if (error != NO_ERROR || nBytesTransfered == 0)//socket出错 
    {
        Net_CloseSocket(opData.socket);
        NetPool::PutIocpData(&opData);//数据缓冲处理
    }
    else
    {
        OnRcvBuffer(opData, nBytesTransfered);//处理接收到的数据
        BOOL post = PostRcvBuffer(opData.socket, &opData); //再次读数据
        if (!post)
        {
            Net_CloseSocket(opData.socket);
            NetPool::PutIocpData(&opData);
        }
    }
}

 3 数据发送

　　数据发送时，先放到发送缓冲，再发送。向完成端口投递时，每个连接同时只能有一个正在投递的操作。

BOOL NetServer::PostSendBuffer(SOCKET socket)
{
    if (m_clientManage.IsPostSendBuffer(socket)) //如果有正在执行的投递，不能再次投递
        return FALSE;

    //获取要发送的数据
    PER_IO_OPERATION_DATA *overlap = NetPool::GetIocpData(FALSE);
    int sendCount = m_clientManage.GetSendBuf(socket, overlap->buf);
    if (sendCount == 0)
    {
        NetPool::PutIocpData(overlap);
        return FALSE;
    }

    overlap->socket = socket;
    overlap->opType = POST_SEND_PKG;
    BOOL post = PostSendBuffer(socket, overlap);
    if (!post)
    {
        Net_CloseSocket(socket);
        NetPool::PutIocpData(overlap);
        return FALSE;
    }
    else
    {
        m_clientManage.SetPostSendBuffer(socket, TRUE);
        return TRUE;
    }
}

 总结：开发一个好的封装库必须有的好的思路。对复杂问题要学会分解，每个模块功能合理，适应性要强；要有模块化、层次化处理思路。如果网络库也处理业务逻辑，处理具体包协议，它就无法做到通用性。一个通用性好的库，才值得我们花费大气力去做好。我设计的这个库，用在了公司多个系统上；以后无论遇到任何网络协议，这个库都可以用得上，一劳永逸的解决网络库封装问题。