非阻塞模式WinSock編程入門

 

介紹

WinSock是Windows提供的包含了一系列網(wǎng)絡(luò)編程接口的套接字程序庫。在這篇文章中，我們將介紹如何把它的非阻塞模式引入到應(yīng)用程序中。文章中所討論的通信均為面向連接的通信（TCP），為清晰起見，文章對代碼中的一些細枝末節(jié)進行了刪減，大家可以依照文末的鏈接下載完整的工程源碼來獲取這部分內(nèi)容。

 

阻塞模式WinSock

         下述偽代碼給出了阻塞模式下WinSock的使用方式。

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//---------------------------------------   

// 服務(wù)器   

//----------------------------------------   

// WinSock初始化   

WSAStartup();   

  

// 創(chuàng)建服務(wù)器套接字   

SOCKET server = socket();   

  

// 綁定到本機端口   

bind(server);    

  

// 開始監(jiān)聽   

listen(server);    

  

// 接收到客戶端連接，分配一個客戶端套接字   

SOCKET client = accept(server);    

  

// 使用新分配的客戶端套接字進行消息收發(fā)   

send(client);    

recv(client);   

  

// 關(guān)閉客戶端套接字   

closesocket(client);    

  

// 關(guān)閉服務(wù)器套接字   

closesocket(server);   

  

// 卸載WinSock   

WSACleanup();  

//---------------------------------------

// 服務(wù)器

//----------------------------------------

// WinSock初始化

WSAStartup();

// 創(chuàng)建服務(wù)器套接字

SOCKET server = socket();

// 綁定到本機端口

bind(server); 

// 開始監(jiān)聽

listen(server); 

// 接收到客戶端連接，分配一個客戶端套接字

SOCKET client = accept(server); 

// 使用新分配的客戶端套接字進行消息收發(fā)

send(client); 

recv(client);

// 關(guān)閉客戶端套接字

closesocket(client); 

// 關(guān)閉服務(wù)器套接字

closesocket(server);

// 卸載WinSock

WSACleanup();  

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//---------------------------------------   

// 客戶端   

//---------------------------------------   

WSAStartup();   

  

// 創(chuàng)建客戶端套接字   

SOCKET client = socket();   

  

// 綁定本機端口   

bind(client);   

  

// 連接到服務(wù)器   

ServerAddress server;   

connect(client, server);   

  

// 確立連接后收發(fā)消息   

recv(client);   

send(client);   

  

// 關(guān)閉客戶端套接字   

closesocket(client);   

  

WSACleanup();  

//---------------------------------------

// 客戶端

//---------------------------------------

WSAStartup();

// 創(chuàng)建客戶端套接字

SOCKET client = socket();

// 綁定本機端口

bind(client);

// 連接到服務(wù)器

ServerAddress server;

connect(client, server);

// 確立連接后收發(fā)消息

recv(client);

send(client);

// 關(guān)閉客戶端套接字

closesocket(client);

WSACleanup();  

         代碼中，服務(wù)器端的accept()，客戶端的connect()，以及服務(wù)器和客戶端中共同的recv()、send()函數(shù)均會產(chǎn)生阻塞。

服務(wù)器在調(diào)用accept()后不會返回，直到接收到客戶端的連接請求；

客戶端在調(diào)用connect()后不會返回，直到對服務(wù)器連接成功或者失??；

服務(wù)器和客戶端在調(diào)用recv()后不會返回，直到接收到并讀取完一條消息；

服務(wù)器和客戶端在調(diào)用send()后不會返回，直到發(fā)送完待發(fā)送的消息。

如果這兩段代碼被放在Windows程序的主線程中，你會發(fā)現(xiàn)消息循環(huán)被阻塞，程序不再響應(yīng)用戶輸入及重繪請求。為了解決這個問題，你可能會想到開辟另外一個線程來運行這些代碼。這是可行的，但是考慮到每個SOCKET都不應(yīng)該被其他SOCKET的操作所阻塞，是不是需要為每個SOCKET開辟一個線程？再考慮到同一SOCKET的一個讀寫操作也不應(yīng)該被另外一個讀寫操作所阻塞，是不是應(yīng)該再為每個SOCKET的讀和寫分別開辟一個線程？一般來說，這種自實現(xiàn)的多線程解決方案帶來的諸多線程管理方面的問題，是你絕對不會想要遇到的。

 

非阻塞模式WinSock

         所幸的是，WinSock同時提供了非阻塞模式，并提出了幾種I/O模型。最常見的I/O模型有select模型、WSAAsyncSelect模型及WSAEventSelect模型，下面選擇其中的WSAAsyncSelect模型進行介紹。

         使用WSAAsyncSelect模型將非阻塞模式引入到應(yīng)用程序中的過程看起來很簡單，事實上你只需要多添加一個函數(shù)就夠了。

int WSAAsyncSelect(SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent);

該函數(shù)會自動將套接字設(shè)置為非阻塞模式，并且把發(fā)生在該套接字上且是你所感興趣的事件，以Windows消息的形式發(fā)送到指定的窗口，你需要做的就是在傳統(tǒng)的消息處理函數(shù)中處理這些事件。參數(shù)hWnd表示指定接受消息的窗口句柄；參數(shù)wMsg表示消息碼值（這意味著你需要自定義一個Windows消息碼）；參數(shù)IEvent表示你希望接受的網(wǎng)絡(luò)事件的集合，它可以是如下值的任意組合：

FD_READ, FD_WRITE, FD_OOB, FD_ACCEPT, FD_CONNECT, FD_CLOSE

         之后，就可以在我們熟知的Windows消息處理函數(shù)中處理這些事件。如果在某一套接字s上發(fā)生了一個已命名的網(wǎng)絡(luò)事件，應(yīng)用程序窗口hWnd會接收到消息wMsg。參數(shù)wParam即為該事件相關(guān)的套接字s；參數(shù)lParam的低字段指明了發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件，lParam的高字段則含有一個錯誤碼，事件和錯誤碼可以通過下面的宏從lParam中取出：

#define WSAGETSELECTEVENT(lParam) LOWORD(lParam)

#define WSAGETSELECTERROR(lParam) HIWORD(lParam)

 

下面繼續(xù)使用偽代碼來幫助闡述如何將上一節(jié)的阻塞模式WinSock應(yīng)用升級到非阻塞模式。

首先自定義一個Windows消息碼，用于標(biāo)識我們的網(wǎng)絡(luò)消息。

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#define WM_CUSTOM_NETWORK_MSG (WM_USER + 100)  

#define WM_CUSTOM_NETWORK_MSG (WM_USER + 100) 

 

服務(wù)器端，在監(jiān)聽之前，將監(jiān)聽套接字置為非阻塞模式，并且標(biāo)明其感興趣的事件為FD_ACCEPT。

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…   

WSAAsyncSelect(server, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_ACCEPT);   

  

// 開始監(jiān)聽   

listen(server);  

…

WSAAsyncSelect(server, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_ACCEPT);

// 開始監(jiān)聽

listen(server);  

客戶端，在連接之前，將套接字置為非阻塞模式，并標(biāo)明其感興趣的事件為FD_CONNECT。

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…   

WSAAsyncSelect(client, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_CONNECT);   

  

// 連接到服務(wù)器   

ServerAddress server;   

connect(client, server);  

…

WSAAsyncSelect(client, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_CONNECT);

// 連接到服務(wù)器

ServerAddress server;

connect(client, server);  

接著，在Windows消息處理函數(shù)中，我們將處理監(jiān)聽事件、連接事件、及讀寫事件，方便起見，這里將服務(wù)器和客戶端的處理代碼放在了一起。

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LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)   

{   

    switch (message)   

    {   

    …   

    case WM_CUSTOM_NETWORK_MSG: // 自定義的網(wǎng)絡(luò)消息碼   

        {   

            SOCKET socket = (SOCKET)wParam; // 發(fā)生網(wǎng)絡(luò)事件的套接字   

            long event = WSAGETSELECTEVENT(lParam); // 事件   

            int error = WSAGETSELECTERROR(lParam); // 錯誤碼   

  

            switch (event)   

            {   

            case FD_ACCEPT: // 服務(wù)器收到新客戶端的連接請求   

                {   

                    // 接收到客戶端連接，分配一個客戶端套接字   

                    SOCKET client = accept(socket);    

                    // 將新分配的客戶端套接字置為非阻塞模式，并標(biāo)明其感興趣的事件為讀、寫及關(guān)閉   

                    WSAAsyncSelect(client, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);   

                }   

                break;   

            case FD_CONNECT: // 客戶端連接到服務(wù)器的操作返回結(jié)果   

                {   

                    // 成功連接到服務(wù)器，將客戶端套接字置為非阻塞模式，并標(biāo)明其感興趣的事件為讀、寫及關(guān)閉   

                    WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);   

                }   

                break;   

            case FD_READ: // 收到網(wǎng)絡(luò)包，需要讀取   

                {   

                    // 使用套接字讀取網(wǎng)絡(luò)包   

                    recv(socket);   

                }   

                break;   

            case FD_WRITE:   

                {   

                    // FD_WRITE的處理后面會具體討論   

                }   

                break;   

            case FD_CLOSE: // 套接字的連接方(而非本地socket)關(guān)閉消息   

                {   

                }   

                break;   

            default:   

                break;   

            }   

        }   

        break;   

    …   

    }   

    …   

}  

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

{

switch (message)

{

…

case WM_CUSTOM_NETWORK_MSG: // 自定義的網(wǎng)絡(luò)消息碼

{

SOCKET socket = (SOCKET)wParam; // 發(fā)生網(wǎng)絡(luò)事件的套接字

long event = WSAGETSELECTEVENT(lParam); // 事件

int error = WSAGETSELECTERROR(lParam); // 錯誤碼

switch (event)

{

case FD_ACCEPT: // 服務(wù)器收到新客戶端的連接請求

{

// 接收到客戶端連接，分配一個客戶端套接字

SOCKET client = accept(socket); 

// 將新分配的客戶端套接字置為非阻塞模式，并標(biāo)明其感興趣的事件為讀、寫及關(guān)閉

WSAAsyncSelect(client, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);

}

break;

case FD_CONNECT: // 客戶端連接到服務(wù)器的操作返回結(jié)果

{

// 成功連接到服務(wù)器，將客戶端套接字置為非阻塞模式，并標(biāo)明其感興趣的事件為讀、寫及關(guān)閉

WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);

}

break;

case FD_READ: // 收到網(wǎng)絡(luò)包，需要讀取

{

// 使用套接字讀取網(wǎng)絡(luò)包

recv(socket);

}

break;

case FD_WRITE:

{

// FD_WRITE的處理后面會具體討論

}

break;

case FD_CLOSE: // 套接字的連接方(而非本地socket)關(guān)閉消息

{

}

break;

default:

break;

}

}

break;

…

}

…

}  

以上就是非阻塞模式WinSock的應(yīng)用框架，WSAAsyncSelect模型將套接字和Windows消息機制很好地粘合在一起，為用戶異步SOCKET應(yīng)用提供了一種較優(yōu)雅的解決方案。

 

擴展討論

         WinSock在系統(tǒng)底層為套接字收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)各提供一個緩沖區(qū)，接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)會緩存在這里等待應(yīng)用程序讀取，待發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)也會先寫進這里之后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

相關(guān)的，針對FD_READ和FD_WRITE事件的讀寫處理，因涉及的內(nèi)容稍微復(fù)雜而容易使人困惑，這里需要特別進行討論。

         在FD_READ事件中，使用recv()函數(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)時，由于事先并不知道完整網(wǎng)絡(luò)包的大小，所以需要多次讀取直到讀完整個緩沖區(qū)。這就需要類似如下代碼的調(diào)用：

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void* buf = 0;   

int size = 0;   

while (true)   

{   

    char tmp[128];   

    int bytes = recv(socket, tmp, 128, 0);   

    if (bytes <= 0)   

        break;   

    else  

    {   

        int new_size = size + bytes;   

        buf = realloc(buf, new_size);   

        memcpy((void*)(((char*)buf) + size), tmp, bytes);   

        size = new_size;   

    }   

}   

// 此時數(shù)據(jù)已經(jīng)從緩沖區(qū)全部拷貝到buf中，你可以在這里對buf做一些操作   

…   

free(buf);  

void* buf = 0;

int size = 0;

while (true)

{

char tmp[128];

int bytes = recv(socket, tmp, 128, 0);

if (bytes <= 0)

break;

else

{

int new_size = size + bytes;

buf = realloc(buf, new_size);

memcpy((void*)(((char*)buf) + size), tmp, bytes);

size = new_size;

}

}

// 此時數(shù)據(jù)已經(jīng)從緩沖區(qū)全部拷貝到buf中，你可以在這里對buf做一些操作

…

free(buf);

  

         這一切看起來都沒有什么問題，但是如果程序運行起來，你會收到比預(yù)期多出許多的FD_READ事件。如MSDN所述，正常的情況下，應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)為每一個FD_READ消息僅調(diào)用一次recv()函數(shù)。如果一個應(yīng)用程序需要在一個FD_READ事件處理中調(diào)用多次recv()，那么它將會收到多個FD_READ消息，因為每次未讀完緩沖區(qū)的recv()調(diào)用，都會重新觸發(fā)一個FD_READ消息。針對這種情況，我們需要在讀取網(wǎng)絡(luò)包前關(guān)閉掉FD_READ消息通知，讀取完這后再進行恢復(fù)，關(guān)閉FD_READ消息的方法很簡單，只需要調(diào)用WSAAsyncSelect時參數(shù)lEvent中FD_READ字段不予設(shè)置即可。

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// 關(guān)閉FD_READ事件通知   

WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE);   

// 讀取網(wǎng)絡(luò)包   

…   

// 再次打開FD_READ事件通知   

WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE | FD_READ);  

// 關(guān)閉FD_READ事件通知

WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE);

// 讀取網(wǎng)絡(luò)包

…

// 再次打開FD_READ事件通知

WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE | FD_READ);  

         第二個需要討論的是FD_WRITE事件。這個事件指明緩沖區(qū)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，有了多出的空位可以讓應(yīng)用程序?qū)懭霐?shù)據(jù)以供發(fā)送。該事件僅在兩種情況下被觸發(fā)：

1. 套接字剛建立連接時，表明準(zhǔn)備就緒可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

2. 一次失敗的send()調(diào)用后緩沖區(qū)再次可用時。如果系統(tǒng)緩沖區(qū)已經(jīng)被填滿，那么此時調(diào)用send()發(fā)送數(shù)據(jù)，將返回SOCKET_ERROR，使用WSAGetLastError()會得到錯誤碼WSAEWOULDBLOCK表明被阻塞。這種情況下當(dāng)緩沖區(qū)重新整理出可用空間后，會向應(yīng)用程序發(fā)送FD_WRITE消息，示意其可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了。

所以說收到FD_WRITE消息并不單純地等同于這是使用send()的唯一時機。一般來說，如果需要發(fā)送消息，直接調(diào)用send()發(fā)送即可。如果該次調(diào)用返回值為SOCKET_ERROR且WSAGetLastError()得到錯誤碼WSAEWOULDBLOCK，這意味著緩沖區(qū)已滿暫時無法發(fā)送，此刻我們需要將待發(fā)數(shù)據(jù)保存起來，等到系統(tǒng)發(fā)出FD_WRITE消息后嘗試重新發(fā)送。也就是說，你需要針對FD_WRITE構(gòu)建一套數(shù)據(jù)重發(fā)的機制，文末的工程源碼里包含有這套機制以供大家參考，這里不再贅述。

 

結(jié)語

         至此，如何在非阻塞模式下使用WinSock進行編程介紹完畢，這個框架可以滿足大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)游戲客戶端及部分服務(wù)器的通信需求。更多應(yīng)用層面上的問題（如TCP粘包等）這里沒有討論，或許會在以后的文章中給出。

         文章相關(guān)工程源碼請移步此處下載http://download.csdn.net/source/2852485。該源碼展示了采用非阻塞模式編程的服務(wù)器和客戶端，建立連接后，在服務(wù)器窗口輸入空格會向所有客戶端發(fā)送一條字符串消息。源碼中對網(wǎng)絡(luò)通信部分做了簡單封裝，所以代碼結(jié)構(gòu)會和文中的偽代碼稍有不同。

謝謝您的閱讀！

 

本文來自CSDN博客，轉(zhuǎn)載請標(biāo)明出處：http://blog.csdn.net/trcj1/archive/2010/11/23/6029163.aspx