Windows Socket五种I/O模型

    如果你想在Windows平台上构建服务器应用，那么I/O模型是你window 服务器平台必须考虑的。Windows操作系统提供了选择（Select）、异步选择（操作系统 window selectWSAAsyncSelect）、事件选择（WSAEventSelect）、重叠I/O（Overlapped I/O）和完成端口wsaasyncselect wsaeventselect overlap（Completion Port)共五种I/O模型。每一种模型均适用于一种特定的complet port 适用应用场景。程序员应该对自己的应用需求非常明确，而且程序员应用自己综合考虑到程序的扩展性和可移植性等因素，作出自己的扩展性自己作出选择。

  我会以一个回应反射式服务器（与《Windows网络编程》第八章window 服务器网络一样）来介绍这五种I/O模型。
我们假设客户端的代码如下（为代码直观，省去所有错误客户错误如下检查，以下同）：

#include <iostream> #include <WINSOCK2.H> using namespace std; #define SERVER_ADDRESS "127.0.0.1" #define PORT 5150 #define MSGSIZE 1024 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib") int main() { WSADATA wsaData; SOCKET sClient; SOCKADDR_IN server; char szMessage[MSGSIZE]; int ret; WSAStartup(0x0202, &wsaData); //Windows套接字异步的启动命令 sClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //创建一个socket //连接到服务端 memset(&server, 0, sizeof(SOCKADDR_IN)); server.sin_family = AF_INET; server.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SERVER_ADDRESS); server.sin_port = htons(PORT); connect(sClient, (struct sockaddr *)&server, sizeof(SOCKADDR_IN)); while (TRUE) { cout<<"Send:"; cin>>szMessage; //发送信息 send(sClient, szMessage, strlen(szMessage), 0); //接收信息 ret = recv(sClient, szMessage, MSGSIZE, 0); szMessage[ret] = '/0'; cout<<"Received ["<<ret<<" bytes]: "<<szMessage<<endl; } closesocket(sClient); //关闭socket WSACleanup(); //结束socket dll的使用 return 0; }

  

客户端所做的事情相当简单，创建套接字，连接服务器，服务器客户创建然后不停的发送和接收数据。

   比较容易想到的一种服务器模型就是采用一个主线程,服务器主线程负责监听客户端的连接请求，当接收到某个客户端的连接请求客户接收求后，创建一个专门用于和该客户端通信的套接字和一个客户创建用于辅助线程。以后该客户端和服务器的交互都在这个辅助线服务器客户以后程内完成。这种方法比较直观，程序非常简单而且可移植这种比较方法性好，但是不能利用平台相关的特性。例如，如果连接数平台例如利用增多的时候（成千上万的连接），那么线程数成倍增长，成千上万成倍增长操作系统忙于频繁的线程间切换，而且大部分线程在其生操作系统大部分切换命周期内都是处于非活动状态的，这大大浪费了系统的资周期浪费系统源。所以，如果你已经知道你的代码只会运行在Windows平台上window 平台运行，建议采用Winsock I/O模型。

一.选择模型
   Select（选择）模型是Winsock中最常见的I/O模型。之所以称其为“Select模型”，是由于它的“中心思想”便是利用select函数实现对I/O的管理。最初设计该模型时，主要面向的是某主要设计实现些使用UNIX操作系统的计算机，它们采用的是Berkeley套接字方案berkelei 计算机使用。Select模型已集成到Winsock 1.1中，它使那些想避免在套接字调winsock select 避免用过程中被无辜“锁定”的应用程序，采取一种有序的锁定采取式，同时进行对多个套接字的管理。由于Winsock 1.1向后兼容winsock 进行管理于Berkeley套接字实施方案，所以假如有一个Berkeley套接字应用使用berkelei 使用方案了select函数，那么从理论角度讲，毋需对其进行任何修改，select 理论进行便可正常运行。

   下面的这段程序就是利用选择模型实现的Echo服务器的代码：

#include <winsock.h> #include <iostream> using namespace std; #define PORT 5150 #define MSGSIZE 1024 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib") int g_iTotalConn = 0; SOCKET g_CliSocketArr[FD_SETSIZE]; //保存连接的客户端socket DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParameter); int main() { WSADATA wsaData; SOCKET sListen, sClient; SOCKADDR_IN local, client; int iaddrSize = sizeof(SOCKADDR_IN); DWORD dwThreadId; WSAStartup(0x0202, &wsaData); //初始化socket类库 sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //创建客户端socket //绑定端口 local.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY); local.sin_family = AF_INET; local.sin_port = htons(PORT); bind(sListen, (struct sockaddr *)&local, sizeof(SOCKADDR_IN)); listen(sListen, 3); //监听 //创建线程 CreateThread(NULL, 0, WorkerThread, NULL, 0, &dwThreadId); //循环接受客户端连接 while (TRUE) { cout<<"开始等待第"<<g_iTotalConn + 1<<"个客户连接.../n"; sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client, &iaddrSize); //接受连接 cout<<"接受的客户:"<<inet_ntoa(client.sin_addr)<<" "<<ntohs(client.sin_port)<<endl; g_CliSocketArr[ g_iTotalConn++ ] = sClient; //保存连接的客户端 } return 0; } //线程函数 DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParam) { int i; fd_set fdread; int ret; struct timeval tv = {1, 0}; char szMessage[MSGSIZE]; while (TRUE) { FD_ZERO(&fdread); //清空集合 for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++ ) { FD_SET(g_CliSocketArr[i], &fdread); //将socket加入集合中(添加描述符) } ret = select(0, &fdread, NULL, NULL, &tv); //select读事件 if (ret == 0) { // Time expired continue; } for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++ ) { if (FD_ISSET(g_CliSocketArr[i], &fdread)) //检查集合中的socket是否可读 { ret = recv(g_CliSocketArr[i], szMessage, MSGSIZE, 0); //接收数据 if (ret == 0 || (ret == SOCKET_ERROR && WSAGetLastError() == WSAECONNRESET)) //接收不成功 { cout<<"客户socket: "<<g_CliSocketArr[i]<<"关闭!/n"; closesocket(g_CliSocketArr[i]); //关闭socket if (i < g_iTotalConn - 1) { g_CliSocketArr[i--] = g_CliSocketArr[--g_iTotalConn]; } } else //接收成功 { szMessage[ret] = '/0'; send(g_CliSocketArr[i], szMessage, strlen(szMessage), 0); } } } } return 0; }

服务器的几个主要动作如下：
1.创建监听套接字，绑定，监听；
2.创建工作者线程；
3.创建一个套接字数组，用来存放当前所有活动的客户端当前字数活动套接字，每accept一个连接就更新一次数组；
4.接受客户端的连接。这里有一点需要注意的，就是客户又重新定义FD_SETSIZE宏，所以服务器最多支持的并发连接数为服务器 setsize 为64。而且，这里决不能无条件的accept,服务器应该根据当前的accept 服务器连接数来决定是否接受来自某个客户端的连接。一种比较好的实现方案就是采用WSAAccept函数，而且让WSAAccept回调自己的Condition Function。如下所示：

int CALLBACK ConditionFunc(LPWSABUF lpCallerId,LPWSABUF lpCallerData, LPQOS lpSQOS,LPQOS lpGQOS,LPWSABUF lpCalleeId, LPWSABUF lpCalleeData,GROUP FAR * g,DWORD dwCallbackData)
{
if (当前连接数 < FD_SETSIZE)
   return CF_ACCEPT;
else
   return CF_REJECT;
}

工作者线程里面是一个死循环，一次循环完成的动作是：

1.将当前所有的客户端套接字加入到读集fdread中；
2.调用select函数；
3.查看某个套接字是否仍然处于读集中，如果是，则接收查看接收仍然数据。如果接收的数据长度为0，或者发生WSAECONNRESET错误，则表wsaeconnreset 数据错误示客户端套接字主动关闭，这时需要将服务器中对应的套接字所绑定的资源释放掉，然后调整套接字数组（将数组中最后一个套接字挪到当前的位置上）.除了需要有条件接受客户端的连接外，还需要在连接数为0的情形下做特殊处理，因为如果读集中没有任何套接字处理，select函数会立刻返回，这将导致工作者线程成为一个毫无工作者, select 立刻停顿的死循环，CPU的占用率马上达到100%。

二.异步选择
    Winsock提供了一个有用的异步I/O模型。利用这个模型，winsock 应用程序可在一个套接字上，接收以Windows消息为基础的网络事件。具体的做法是在建好一个套接字后，调用WSAAsyncSelect函数。