应用程序使用Winsock与传输协议驱动沟通时AFD.SYS负责缓冲区的管理。这就意味着当一个程序调用send或者WSASend发送数据时,数据将被复制到AFD.SYS它自己的内部缓冲区中(依赖SO_SNDBUF的设置)WSASend调用立即返回。然后AFD.SYS在程序后台将数据发送出去。当然,如果程序想要处理一个比SO_SNDBUF设置的缓冲区需求更大的发送请求,WSASend的调用就会阻塞直到所有的数据都被发送出去。
类似的,从远程客户端接收数据时,只要SO_RCVBUF设置的缓冲区还没有满,AFD.SYS就会将数据复制进它自己的缓冲区直到所有的发送都已完成。当程序调用recv或者是WSARecv,数据就从AFD.SYS的缓冲区复制到了程序提供的缓冲区中了。
使用Winsock的时候还会间接碰到另外两种资源的限制。第一个页面锁定的限制。注意重叠操作可能偶然性地以ERROR_INSUFFICIENT_RESOURCES调用失败,这基本上意味着有太多的发送和接收操作在等待中。另外一个限制是操作系统的非分页池(non-paged pool)的限制。
int recv( SOCKET s, char* buf, int len, int flags ); |
int send( SOCKET s, const char* buf, int len, int flags ); |
这种方式最为大家熟悉,Socket默认的就是阻塞模式。
在recv的时候,Socket会阻塞在那里,直到连接上有数据可读,把数据读到buffer里后recv函数才会返回,不然就会一直阻塞在那里。
如果在主线程中被阻塞,而数据迟迟没有过来,那么程序就会被锁死。这样的问题可以用多线程解决,但是在有多个套接字连接的情况下,这不是一个好的选择,扩展性很差,而且也容易有锁的问题。线程过多,也导致上下文切换过于频繁,导致系统变慢,而且大部分线程是处于非活动状态的话,这就大大浪费了系统的资源。
int ioctlsocket( IN SOCKET s, IN long cmd, IN OUT u_long FAR * argp ); #define FIONBIO /* set/clear non-blocking i/o */ |
调用ioctlsocket函数设置FIONBIO为1就转为非阻塞模式。
当recv和send函数没有准备好数据时,函数不会阻塞,立即返回错误值,用GetLastError返回的错误码为WSAEWOULDBLOCK,中文解释为“无法立即完成一个非阻挡性套接字的操作”。
当然,这里你可以用非阻塞模拟阻塞模式,就是用while循环不停调用recv,直到recv返回成功为止。这样的效率也不高,但好处在于你能在没接收到数据时,有空进行其他操作,或者直接Sleep。
int select( int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, const struct timeval* timeout ); |
Select模型是非阻塞的,函数内部自动检测WSAEWOULDBLOCK状态,还能有超时设定。对read,write,except三种事件进行分别检测,except指带外数据可读取,read和write的定义是广义的,accept,close等消息也纳入到read。
Select函数使用fd_set结构,它的结构非常的简单,只有一个数组和计数器。
Timeval结构里可以设置超时的时间。
Select函数返回值表示集合中有事件触发的sock总数,其余操作使用fd_set的宏来完成。
#ifndef FD_SETSIZE #define FD_SETSIZE 64 #endif /* FD_SETSIZE */
typedef struct fd_set { FD_CLR(s, *set) |
Select模型流程如下:
fd_set fdread; timeval tv = {1, 0}; while (1) { // 初始化fd_set FD_ZERO(&fdread); for (int i = 0; i < nSock; i ++) FD_SET(socks[i], &fdread); // 等待事件触发,或超时返回 int ret = select(0, &fdread, NULL, NULL, &tv); for (int i = 0; ret > 0 && i < nSock; i ++) // 检测哪个sock有事件触发 if (FD_ISSET(socks[i], &fdread)) { read_buf(socks[i]); ret –; } } |
其实select的原理就是对sock集合进行扫描,有事件或者超时则退出,所以select的效率也是和sock数量成线性关系,而且需要我们自己循环检查哪个sock有事件发生。
它的优点是模型简单,过程清晰,容易管理,支持多个sock服务。缺点也很明显,本质还是个循环的改进版本,而且fd_set里最多只能放64个sock,还有它无法很好的支持sock事件的先后顺序。
WSAAsynSelect是Windows特有的,可以在一个套接字上接收以Windows消息为基础的网络事件通知。该模型的实现方法是通过调用WSAAsynSelect函数自动将套接字设置(转变)为非阻塞模式,并向Windows注册一个或多个网络事件lEvent,并提供一个通知时使用的窗口句柄hWnd。当注册的事件发生时,对应的窗口将收到一个基于消息的通知wMsg。
int WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent ); |
WSAAsyncSelect模型流程如下:
#define WM_SOCKET WM_USER+1
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hINstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) { BOOL CALLBACK WinProc(HWND hDlg, WORD wMsg, WORD wParam, DWORD lParam) { |
WSAAsyncSelect是模仿Windows消息机制来实现的,使用起来很方便,仅仅只是在消息处理中加入了对WM_SOCKET的处理,这样就能严格得按先后顺序处理sock事件。
MFC中的CSOCKET也采用了这个模型。
lEvent事件表:
FD_READ | 应用程序想要接收有关是否可读的通知,以便读入数据 |
FD_WRITE | 应用程序想要接收有关是否可写的通知,以便写入数据 |
FD_OOB | 应用程序想接收是否有带外(OOB)数据抵达的通知 |
FD_ACCEPT | 应用程序想接收与进入连接有关的通知 |
FD_CONNECT | 应用程序想接收与一次连接或者多点join操作完成的通知 |
FD_CLOSE | 应用程序想接收与套接字关闭有关的通知 |
FD_QOS | 应用程序想接收套接字“服务质量”(QoS)发生更改的通知 |
FD_GROUP_QOS | 应用程序想接收套接字组“服务质量”发生更改的通知(现在没什么用处,为未来套接字组的使用保留) |
FD_ROUTING_INTERFACE_CHANGE | 应用程序想接收在指定的方向上,与路由接口发生变化的通知 |
FD_ADDRESS_LIST_CHANGE | 应用程序想接收针对套接字的协议家族,本地地址列表发生变化的通知 |
只有在以下3种条件下,会发送FD_WRITE事件:
它的缺点就是,每个sock事件处理需要一个窗口句柄,如果sock很多的情况下,资源和性能可想而知了。
WSAEventSelect模型类似WSAAsynSelect模型,但最主要的区别是网络事件发生时会被发送到一个Event对象句柄,而不是发送到一个窗口。这样你就可以使用Event对象的特性了。但WSAEventSelect模型明显复杂很多。
它需要由以下函数一起完成。
// 1. 创建事件对象来接收网络事件: WSAEVENT WSACreateEvent( void ); // 2. 将事件对象与套接字关联,同时注册事件,使事件对象的工作状态从未传信转变未已传信。 int WSAEventSelect( SOCKET s,WSAEVENT hEventObject,long lNetworkEvents ); // 3. I/O处理后,设置事件对象为未传信 BOOL WSAResetEvent( WSAEVENT hEvent ); // 4. 等待网络事件来触发事件句柄的工作状态: DWORD WSAWaitForMultipleEvents( DWORD cEvents,const WSAEVENT FAR * lphEvents, BOOL fWaitAll,DWORD dwTimeout, BOOLfAlertable ); // 5. 获取网络事件类型 int WSAEnumNetworkEvents( SOCKET s, WSAEVENT hEventObject, LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents ); |
WSACreateEvent其实跟CreateEvent的效果类似,返回的WSAEVENT类型其实就是HANDLE类型,所以可以直接使用CreateEvent创建特殊的Event。
sock和Event对象是对应的,当一个套接字有事件发生,WSAWaitForMultipleEvents返回相应的值,通过这个值来索引这个套接字。 但它也和select一样,在Event数组大小上也有限制,MAXIMUM_WAIT_OBJECTS的值为64。
有了Event对象的支持,signaled/non-signaled和manual reset/auto reset的概念也就可以应用到程序里,这样能使sock事件处理的方式比较丰富灵活。而且它也能严格按先后顺序处理sock事件。
闪电邮PushMail的处理就是WSAEventSelect模型。
它和之前模型不同的是,使用重叠模型的应用程序通知缓冲区收发系统直接使用数据,也就是说,如果应用程序投递了一个10KB大小的缓冲区来接收数据,且数据已经到达套接字,则该数据将直接被拷贝到投递的缓冲区。之前的模型都是在套接字的缓冲区中,当通知应用程序接收后,在把数据拷贝到程序的缓冲区。
这种模型适用于除WindowsCE外的其他Windows平台,该模型是以Windows的重叠IO机制为基础,通过ReadFile和WriteFile,针对设备执行IO操作。
早先这种机制是用于文件IO,在Socket IO和文件IO统一接口之后,这种机制也被引入Socket IO。但这类模型的实现就相对复杂多了。
有两个方法可以实现重叠IO请求的完成情况(接到重叠操作完成的通知):
重叠结构是不得不提的,之后的完成端口模型也需要用到。这个结构等同于OVERLAPPED。
typedef struct _WSAOVERLAPPED { DWORD Internal; DWORD InternalHigh; DWORD Offset; DWORD OffsetHigh; WSAEVENT hEvent; // 只关注这个参数,用来关联WSAEvent对象 } WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED; |
使用重叠结构,我们常用的send, sendto, recv, recvfrom也都要被WSASend, WSASendto, WSARecv, WSARecvFrom替换掉了,是因为它们的参数中都有一个Overlapped参数。
int WSARecv( SOCKET s, // [in] 套接字 LPWSABUF lpBuffers, // [in,out] 接收缓冲区,WSABUF的数组 DWORD dwBufferCount, // [in] 数组中WSABUF的数量 LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd, // [out] 此刻函数所接收到的字节数 LPDWORD lpFlags, // [in,out] 这里设置为0 即可 LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, // [in] 绑定重叠结构 LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
// [in] 完成例程中将会用到的参数 |
没有错误且收取立刻完成时,返回值为0,否则是SOCKET_ERROR。常见的错误码是WSA_IO_PENDING,表示重叠操作正在进行。相应的其他函数也是类似参数,具体参考MDSN。
获取重叠操作的结果,由WSAWaitForMultipleEvents函数来完成。
BOOL WSAGetOverlappedResult( SOCKET s, // [in] 套接字 LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, // [in] 要查询的重叠结构的指针 LPDWORD lpcbTransfer,// [out] 本次重叠操作的实际接收(或发送)的字节数 BOOL fWait, // [in] 设置为TRUE,除非重叠操作完成,否则函数不会返回 // 设置FALSE,而且操作仍处于挂起状态,那么函数就会返回FALSE,错误为WSA_IO_INCOMPLETE LPDWORD lpdwFlags // [out] 负责接收结果标志 ); |
事件等待函数和WaitForMultipleObjects类似。
DWORD WSAWaitForMultipleEvents( DWORD cEvents, // [in] 等候事件的总数量 const WSAEVENT* lphEvents, // [in] 事件数组的指针 BOOL fWaitAll, // [in] 是否等待所有事件 DWORD dwTimeout, // [in] 超时时间 BOOL fAlertable // [in] 在完成例程中会用到这个参数 ); |
返回值有这么几个:
WSA_WAIT_TIMEOUT | 超时,我们要继续Wait |
WSA_WAIT_FAILED | 出现错误 |
WAIT_IO_COMPLETION | 一个或多个完成例程入队列执行 |
WSA_WAIT_EVENT_0 ~ (WSA_WAIT_EVENT_0 + cEvents – 1) | 触发的事件下标 |
事件通知的重叠IO模型大致流程如下:
// 1. 建立并初始化buf和overlap WSAOVERLAPPED Overlap; WSABUF DataBuf; char* SendBuf = new char[BufLen]; DWORD Flags = 0;
DataBuf.len = BufLen; // 2. 在套接字上投递WSARecv请求 // 3. 等待事件通知 // 4. 重置事件对象 // 5. 取得重叠调用的返回状态 dosomething(…); |
如果是服务端使用事件通知模型,则需要再起一个线程来循环Wait事件通知,主线程则接受请求的连接。
实际编码过程中,要注意缓冲区不要搞错,因为全都需要自己来管理,稍有不慎就容易写脏数据和越界。还要注意WSARecv时,可能立即有数据返回的情况,即返回值为0且NumberOfBytesRecvd > 0。
完成例程(Completion Routine),不是完成端口。它是使用APC(Asynchronous Procedure Calls)异步回调函数来实现,大致流程和事件通知模型差不多,只不过WSARecv注册时,加上了lpCompletionRoutine参数。
Void CALLBACK CompletionROUTINE( DWORD dwError, // [in] 标志咱们投递的重叠操作完成的状态 DWORD cbTransferred, // [in] 重叠操作期间,实际传输的字节量是多大 LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, // [in] 传递到最初IO调用的重叠结构 DWORD dwFlags // [in] 返回操作结束时可能用的标志(一般没用) ); |
但完成例程有一个比较隐晦的地方,就是APC机制本身。
ReadFileEx / WriteFileEx在发出IO请求的同时,提供一个回调函数(APC过程),当IO请求完成后,一旦线程进入可告警状态,回调函数将会执行。
以下五个函数能够使线程进入告警状态:
SleepEx
WaitForSingleObjectEx
WaitForMultipleObjectsEx
SignalObjectAndWait
MsgWaitForMultipleObjectsEx
线程进入告警状态时,内核将会检查线程的APC队列,如果队列中有APC,将会按FIFO方式依次执行。如果队列为空,线程将会挂起等待事件对象。以后的某个时刻,一旦APC进入队列,线程将会被唤醒执行APC,同时等待函数返回WAIT_IO_COMPLETION。
回到完成例程的话题上。
需要一个辅助线程,辅助线程的工作是判断有没有新的客户端连接被建立,如果有,就为那个客户端套接字激活一个异步的WSARecv操作,然后调用SleepEx使线程处于一种可警告的等待状态,以使得I/O完成后 CompletionROUTINE可以被内核调用,而CompletionROUTINE会在当初激活WSARecv异步操作的代码的同一个线程之内!而且调用SleepEx时,需要把bAlertable参数设为TRUE,这样当有APC唤醒时立即调用完成例程,否则例程就不会被执行。当然也可以使用WSAWaitForMultipleEvents函数,但这样就需要一个事件对象。
从图中就能看到CompletionROUTINE是在辅助线程(调用过WSARecv)里执行的。
“完成端口”模型是迄今为止最为复杂的一种I/O模型。
假若一个应用程序同时需要管理为数众多的套接字,那么采用这种模型,往往可以达到最佳的系统性能!它能最大限度的减少上下文切换的同时最大限度的提高系统并发量。但不幸的是,该模型只适用于Windows NT和Windows 2000操作系统。
因其设计的复杂性,只有在你的应用程序需要同时管理数百乃至上千个套接字的时候,而且希望随着系统内安装的CPU数量的增多,应用程序的性能也可以线性提升,才应考虑采用“完成端口”模型。
要记住的一个基本准则是,假如要为Windows NT或Windows 2000开发高性能的服务器应用,同时希望为大量套接字I/O请求提供服务(Web服务器便是这方面的典型例子),那么I/O完成端口模型便是最佳选择!
完成端口是一种WINDOWS内核对象。完成端口用于异步方式的重叠I/O。简单地,可以把完成端口看成系统维护的一个队列,操作系统把重叠IO操作完成的事件通知放到该队列里,由于是暴露 “操作完成”的事件通知,所以命名为“完成端口”(Completion Ports)。
完成端口内部提供了线程池的管理,可以避免反复创建线程的开销,同时可以根据CPU的个数灵活的决定线程个数,而且可以让减少线程调度的次数从而提高性能。
它需要以下函数的支持,CreateIoCompletionPort函数用于创建和绑定完成端口。
HANDLE CreateIoCompletionPort( HANDLE FileHandle, // [in] IO句柄对象,这里是套接字 HANDLE ExistingCompletionPort, // [in] 完成端口 ULONG_PTR CompletionKey, // [in] 自定义数据指针 DWORD NumberOfConcurrentThreads // [in] 最大线程数,0为自动 ); |
我们还需要类似WSAGetOverlappedResult的函数来获取完成端口的状态。
BOOL GetQueuedCompletionStatus( HANDLE CompletionPort, // [in] 完成端口 LPDWORD lpNumberOfBytes, // [out] 此次IO操作的字节数 PULONG_PTR lpCompletionKey, // [out] 自定义数据指针,CreateIoCompletionPort初始化的 LPOVERLAPPED* lpOverlapped, // [out] 投递请求时的重叠结构指针 DWORD dwMilliseconds // [in] 超时设置 ); |
还有PostQueuedCompletionStatus函数,能模拟一个完成的重叠I/O操作。我们可以当成类似PostMessage的函数,以此控制工作线程。
BOOL PostQueuedCompletionStatus( HANDLE CompletionPort, // [in] 完成端口 DWORD dwNumberOfBytesTransferred, // [in] 此次IO操作的字节数 ULONG_PTR dwCompletionKey, // [in] 自定义数据指针 LPOVERLAPPED lpOverlapped // [in] 重叠结构指针 ); |
完成端口模型大致流程如下:
// 1. 参数设空,就能创建完成端口 HANDLE CompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,NULL,0); // 2. 创建工作线程 DWORD dwThreadId; SYSTEM_INFO sysinfo; GetSystemInfo(&sysinfo); for (int i = 0; i < sysinfo.dwNumberOfProcessors; i++) CreateThread(NULL, 0, iocp_work_thread, CompletionPort, 0, &dwThreadId);
// 3. 建立并初始化buf和overlap(参照重叠IO) // 4. 将套接字绑定到完成端口 // 5. 在套接字上投递WSARecv请求(参照重叠IO) // 6. 在工作线程中取本次I/O的相关信息 |
来自于《Windows网络编程》的数据。
为了能在一定程度上提升性能,建议使用重叠IO模型或者WSAEventSelect模型。
如果是窗口程序,且socket不多的情况下,可以使用WSAAsyncSelect模型。
当然,如果性能啥的都不需要考虑的,那简洁的Select模式值得被考虑。
既然是服务端,必然要需要性能不错的。
重叠IO模型可以使你在给定的时间段内同时控制多个套接字。
但是,如果服务器在任意时间里都有大量IO请求,那就用完成端口模型。
[1] Windows核心编程;
[2] 手把手教你玩转SOCKET模型之重叠I/O篇;
http://dev.csdn.net/htmls/39/39122.html
[3] 手把手教你玩转网络编程模型之完成例程(Completion Routine)篇;
http://blog.csdn.net/PiggyXP/archive/2009/02/19/3910726.aspx
[4] Windows Sockets 2.0: Write Scalable Winsock Apps Using Completion Ports;
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/magazine/cc302334(en-us).aspx
[5] Inside I/O Completion Ports;
http://hi.baidu.com/jrckkyy/blog/item/401422527c131b070df3e37b.html
[6] Windows 2000 非分页池被 Afd.sys 耗尽;
http://support.microsoft.com/kb/296265/zh-cn
[7] WinSock五种I/O模型的性能分析;
http://www.rover12421.com/2010/04/02/winsock%E4%BA%94%E7%A7%8Dio%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%80%A7%E8%83%BD%E5%88%86%E6%9E%90.html