非阻塞模式WinSock编程入门

非阻塞模式WinSock编程入门 

此文于2010-12-29被推荐到CSDN首页
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非阻塞模式WinSock编程入门

 

介绍

WinSock是Windows提供的包含了一系列网络编程接口的套接字程序库。在这篇文章中，我们将介绍如何把它的非阻塞模式引入到应用程序中。文章中所讨论的通信均为面向连接的通信（TCP），为清晰起见，文章对代码中的一些细枝末节进行了删减，大家可以依照文末的链接下载完整的工程源码来获取这部分内容。

 

阻塞模式WinSock

         下述伪代码给出了阻塞模式下WinSock的使用方式。

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1. //---------------------------------------  
2. // 服务器  
3. //----------------------------------------  
4. // WinSock初始化  
5. WSAStartup();  
6.   
7. // 创建服务器套接字  
8. SOCKET server = socket();  
9.   
10. // 绑定到本机端口  
11. bind(server);   
12.   
13. // 开始监听  
14. listen(server);   
15.   
16. // 接收到客户端连接，分配一个客户端套接字  
17. SOCKET client = accept(server);   
18.   
19. // 使用新分配的客户端套接字进行消息收发  
20. send(client);   
21. recv(client);  
22.   
23. // 关闭客户端套接字  
24. closesocket(client);   
25.   
26. // 关闭服务器套接字  
27. closesocket(server);  
28.   
29. // 卸载WinSock  
30. WSACleanup();  

//---------------------------------------// 服务器//----------------------------------------// WinSock初始化WSAStartup();// 创建服务器套接字SOCKET server = socket();// 绑定到本机端口bind(server); // 开始监听listen(server); // 接收到客户端连接，分配一个客户端套接字SOCKET client = accept(server); // 使用新分配的客户端套接字进行消息收发send(client); recv(client);// 关闭客户端套接字closesocket(client); // 关闭服务器套接字closesocket(server);// 卸载WinSockWSACleanup();  

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1. //---------------------------------------  
2. // 客户端  
3. //---------------------------------------  
4. WSAStartup();  
5.   
6. // 创建客户端套接字  
7. SOCKET client = socket();  
8.   
9. // 绑定本机端口  
10. bind(client);  
11.   
12. // 连接到服务器  
13. ServerAddress server;  
14. connect(client, server);  
15.   
16. // 确立连接后收发消息  
17. recv(client);  
18. send(client);  
19.   
20. // 关闭客户端套接字  
21. closesocket(client);  
22.   
23. WSACleanup();  

//---------------------------------------// 客户端//---------------------------------------WSAStartup();// 创建客户端套接字SOCKET client = socket();// 绑定本机端口bind(client);// 连接到服务器ServerAddress server;connect(client, server);// 确立连接后收发消息recv(client);send(client);// 关闭客户端套接字closesocket(client);WSACleanup();  

         代码中，服务器端的accept()，客户端的connect()，以及服务器和客户端中共同的recv()、send()函数均会产生阻塞。

服务器在调用accept()后不会返回，直到接收到客户端的连接请求；

客户端在调用connect()后不会返回，直到对服务器连接成功或者失败；

服务器和客户端在调用recv()后不会返回，直到接收到并读取完一条消息；

服务器和客户端在调用send()后不会返回，直到发送完待发送的消息。

如果这两段代码被放在Windows程序的主线程中，你会发现消息循环被阻塞，程序不再响应用户输入及重绘请求。为了解决这个问题，你可能会想到开辟另外一个线程来运行这些代码。这是可行的，但是考虑到每个SOCKET都不应该被其他SOCKET的操作所阻塞，是不是需要为每个SOCKET开辟一个线程？再考虑到同一SOCKET的一个读写操作也不应该被另外一个读写操作所阻塞，是不是应该再为每个SOCKET的读和写分别开辟一个线程？一般来说，这种自实现的多线程解决方案带来的诸多线程管理方面的问题，是你绝对不会想要遇到的。

 

非阻塞模式WinSock

         所幸的是，WinSock同时提供了非阻塞模式，并提出了几种I/O模型。最常见的I/O模型有select模型、WSAAsyncSelect模型及WSAEventSelect模型，下面选择其中的WSAAsyncSelect模型进行介绍。

         使用WSAAsyncSelect模型将非阻塞模式引入到应用程序中的过程看起来很简单，事实上你只需要多添加一个函数就够了。

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

该函数会自动将套接字设置为非阻塞模式，并且把发生在该套接字上且是你所感兴趣的事件，以Windows消息的形式发送到指定的窗口，你需要做的就是在传统的消息处理函数中处理这些事件。参数hWnd表示指定接受消息的窗口句柄；参数wMsg表示消息码值（这意味着你需要自定义一个Windows消息码）；参数IEvent表示你希望接受的网络事件的集合，它可以是如下值的任意组合：

FD_READ, FD_WRITE, FD_OOB, FD_ACCEPT, FD_CONNECT, FD_CLOSE

         之后，就可以在我们熟知的Windows消息处理函数中处理这些事件。如果在某一套接字s上发生了一个已命名的网络事件，应用程序窗口hWnd会接收到消息wMsg。参数wParam即为该事件相关的套接字s；参数lParam的低字段指明了发生的网络事件，lParam的高字段则含有一个错误码，事件和错误码可以通过下面的宏从lParam中取出：

#define WSAGETSELECTEVENT(lParam) LOWORD(lParam)

#define WSAGETSELECTERROR(lParam) HIWORD(lParam)

 

下面继续使用伪代码来帮助阐述如何将上一节的阻塞模式WinSock应用升级到非阻塞模式。

首先自定义一个Windows消息码，用于标识我们的网络消息。

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1. #define WM_CUSTOM_NETWORK_MSG (WM_USER + 100)  

#define WM_CUSTOM_NETWORK_MSG (WM_USER + 100)

 

服务器端，在监听之前，将监听套接字置为非阻塞模式，并且标明其感兴趣的事件为FD_ACCEPT。

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1. …  
2. WSAAsyncSelect(server, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_ACCEPT);  
3.   
4. // 开始监听  
5. listen(server);  

…WSAAsyncSelect(server, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_ACCEPT);// 开始监听listen(server);  

客户端，在连接之前，将套接字置为非阻塞模式，并标明其感兴趣的事件为FD_CONNECT。

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1. …  
2. WSAAsyncSelect(client, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_CONNECT);  
3.   
4. // 连接到服务器  
5. ServerAddress server;  
6. connect(client, server);  

…WSAAsyncSelect(client, wnd, WM_CUSTOM_NETWORK_MSG, FD_CONNECT);// 连接到服务器ServerAddress server;connect(client, server);  

接着，在Windows消息处理函数中，我们将处理监听事件、连接事件、及读写事件，方便起见，这里将服务器和客户端的处理代码放在了一起。

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1. LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)  
2. {  
3.     switch (message)  
4.     {  
5.     …  
6.     case WM_CUSTOM_NETWORK_MSG: // 自定义的网络消息码  
7.         {  
8.             SOCKET socket = (SOCKET)wParam; // 发生网络事件的套接字  
9.             long event = WSAGETSELECTEVENT(lParam); // 事件  
10.             int error = WSAGETSELECTERROR(lParam); // 错误码  
11.   
12.             switch (event)  
13.             {  
14.             case FD_ACCEPT: // 服务器收到新客户端的连接请求  
15.                 {  
16.                     // 接收到客户端连接，分配一个客户端套接字  
17.                     SOCKET client = accept(socket);   
18.                     // 将新分配的客户端套接字置为非阻塞模式，并标明其感兴趣的事件为读、写及关闭  
19.                     WSAAsyncSelect(client, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);  
20.                 }  
21.                 break;  
22.             case FD_CONNECT: // 客户端连接到服务器的操作返回结果  
23.                 {  
24.                     // 成功连接到服务器，将客户端套接字置为非阻塞模式，并标明其感兴趣的事件为读、写及关闭  
25.                     WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);  
26.                 }  
27.                 break;  
28.             case FD_READ: // 收到网络包，需要读取  
29.                 {  
30.                     // 使用套接字读取网络包  
31.                     recv(socket);  
32.                 }  
33.                 break;  
34.             case FD_WRITE:  
35.                 {  
36.                     // FD_WRITE的处理后面会具体讨论  
37.                 }  
38.                 break;  
39.             case FD_CLOSE: // 套接字的连接方(而非本地socket)关闭消息  
40.                 {  
41.                 }  
42.                 break;  
43.             default:  
44.                 break;  
45.             }  
46.         }  
47.         break;  
48.     …  
49.     }  
50.     …  
51. }  

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam){switch (message){…case WM_CUSTOM_NETWORK_MSG: // 自定义的网络消息码{SOCKET socket = (SOCKET)wParam; // 发生网络事件的套接字long event = WSAGETSELECTEVENT(lParam); // 事件int error = WSAGETSELECTERROR(lParam); // 错误码switch (event){case FD_ACCEPT: // 服务器收到新客户端的连接请求{// 接收到客户端连接，分配一个客户端套接字SOCKET client = accept(socket); // 将新分配的客户端套接字置为非阻塞模式，并标明其感兴趣的事件为读、写及关闭WSAAsyncSelect(client, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);}break;case FD_CONNECT: // 客户端连接到服务器的操作返回结果{// 成功连接到服务器，将客户端套接字置为非阻塞模式，并标明其感兴趣的事件为读、写及关闭WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_READ | FD_WRITE | FD_CLOSE);}break;case FD_READ: // 收到网络包，需要读取{// 使用套接字读取网络包recv(socket);}break;case FD_WRITE:{// FD_WRITE的处理后面会具体讨论}break;case FD_CLOSE: // 套接字的连接方(而非本地socket)关闭消息{}break;default:break;}}break;…}…}  

以上就是非阻塞模式WinSock的应用框架，WSAAsyncSelect模型将套接字和Windows消息机制很好地粘合在一起，为用户异步SOCKET应用提供了一种较优雅的解决方案。

 

扩展讨论

         WinSock在系统底层为套接字收发网络数据各提供一个缓冲区，接收到的网络数据会缓存在这里等待应用程序读取，待发送的网络数据也会先写进这里之后通过网络发送。

相关的，针对FD_READ和FD_WRITE事件的读写处理，因涉及的内容稍微复杂而容易使人困惑，这里需要特别进行讨论。

         在FD_READ事件中，使用recv()函数读取网络包数据时，由于事先并不知道完整网络包的大小，所以需要多次读取直到读完整个缓冲区。这就需要类似如下代码的调用：

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1. void* buf = 0;  
2. int size = 0;  
3. while (true)  
4. {  
5.     char tmp[128];  
6.     int bytes = recv(socket, tmp, 128, 0);  
7.     if (bytes <= 0)  
8.         break;  
9.     else  
10.     {  
11.         int new_size = size + bytes;  
12.         buf = realloc(buf, new_size);  
13.         memcpy((void*)(((char*)buf) + size), tmp, bytes);  
14.         size = new_size;  
15.     }  
16. }  
17. // 此时数据已经从缓冲区全部拷贝到buf中，你可以在这里对buf做一些操作  
18. …  
19. 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;}}// 此时数据已经从缓冲区全部拷贝到buf中，你可以在这里对buf做一些操作…free(buf);  

         这一切看起来都没有什么问题，但是如果程序运行起来，你会收到比预期多出许多的FD_READ事件。如MSDN所述，正常的情况下，应用程序应当为每一个FD_READ消息仅调用一次recv()函数。如果一个应用程序需要在一个FD_READ事件处理中调用多次recv()，那么它将会收到多个FD_READ消息，因为每次未读完缓冲区的recv()调用，都会重新触发一个FD_READ消息。针对这种情况，我们需要在读取网络包前关闭掉FD_READ消息通知，读取完这后再进行恢复，关闭FD_READ消息的方法很简单，只需要调用WSAAsyncSelect时参数lEvent中FD_READ字段不予设置即可。

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1. // 关闭FD_READ事件通知  
2. WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE);  
3. // 读取网络包  
4. …  
5. // 再次打开FD_READ事件通知  
6. WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE | FD_READ);  

// 关闭FD_READ事件通知WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE);// 读取网络包…// 再次打开FD_READ事件通知WSAAsyncSelect(socket, hWnd, message, FD_WRITE | FD_CLOSE | FD_READ);  

         第二个需要讨论的是FD_WRITE事件。这个事件指明缓冲区已经准备就绪，有了多出的空位可以让应用程序写入数据以供发送。该事件仅在两种情况下被触发：

1. 套接字刚建立连接时，表明准备就绪可以立即发送数据。

2. 一次失败的send()调用后缓冲区再次可用时。如果系统缓冲区已经被填满，那么此时调用send()发送数据，将返回SOCKET_ERROR，使用WSAGetLastError()会得到错误码WSAEWOULDBLOCK表明被阻塞。这种情况下当缓冲区重新整理出可用空间后，会向应用程序发送FD_WRITE消息，示意其可以继续发送数据了。

所以说收到FD_WRITE消息并不单纯地等同于这是使用send()的唯一时机。一般来说，如果需要发送消息，直接调用send()发送即可。如果该次调用返回值为SOCKET_ERROR且WSAGetLastError()得到错误码WSAEWOULDBLOCK，这意味着缓冲区已满暂时无法发送，此刻我们需要将待发数据保存起来，等到系统发出FD_WRITE消息后尝试重新发送。也就是说，你需要针对FD_WRITE构建一套数据重发的机制，文末的工程源码里包含有这套机制以供大家参考，这里不再赘述。

 

结语

         至此，如何在非阻塞模式下使用WinSock进行编程介绍完毕，这个框架可以满足大多数网络游戏客户端及部分服务器的通信需求。更多应用层面上的问题（如TCP粘包等）这里没有讨论，或许会在以后的文章中给出。

         文章相关工程源码请移步此处下载http://download.csdn.net/source/2852485。该源码展示了采用非阻塞模式编程的服务器和客户端，建立连接后，在服务器窗口输入空格会向所有客户端发送一条字符串消息。源码中对网络通信部分做了简单封装，所以代码结构会和文中的伪代码稍有不同。