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基礎(chǔ)
Socket編程
多線程并發(fā)
阻塞式同步IO

基礎(chǔ)
在現(xiàn)今軟件開發(fā)中，網(wǎng)絡(luò)編程是非常重要的一部分，本文簡要介紹下網(wǎng)絡(luò)編程的概念和實(shí)踐。
Socket是一種網(wǎng)絡(luò)編程接口，它是對(duì)傳輸層TCP、UDP通信協(xié)議的一層封裝，通過友好的API暴露出去，方便在進(jìn)程或多臺(tái)機(jī)器間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

Socket編程

在網(wǎng)絡(luò)編程中分客戶端和服務(wù)端兩種角色，比如通過打開瀏覽器訪問到掛在Web軟件上的網(wǎng)頁，從程序角度上來看，即客戶端(瀏覽器)發(fā)起了一個(gè)Socket請(qǐng)求到服務(wù)器端，服務(wù)器把網(wǎng)頁內(nèi)容返回到瀏覽器解析后展示。在客戶端和服務(wù)端數(shù)據(jù)通信前，會(huì)進(jìn)行三次確認(rèn)才會(huì)正式建立連接，也即是三次握手。

1. 客戶端發(fā)送消息詢問服務(wù)端是否準(zhǔn)備好
2. 服務(wù)端回應(yīng)我準(zhǔn)備好了，你呢準(zhǔn)備好了嗎
3. 客戶端回應(yīng)服務(wù)端我也準(zhǔn)備好了，可以通信了

TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)間通信的基礎(chǔ)協(xié)議，在不同編程語言及不同操作系統(tǒng)下暴露的Socket接口用法也大同小異，僅是其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有所不同，比如Linux下的epoll和windows下的IOCP。

服務(wù)端

• 實(shí)例化Socket
• 把公共地址端口綁定操作系統(tǒng)上
• 開始監(jiān)聽綁定的端口
• 等待客戶端連接

IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 6389);
      Socket listenSocket = new Socket(ip.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
      listenSocket.Bind(ip);
      listenSocket.Listen(100);
      listenSocket.Accept();

listen函數(shù)中有個(gè)int類型參數(shù)，它表示最大等待處理連接的數(shù)量，表示已建立連接但還未處理的數(shù)量，每調(diào)用Accept函數(shù)一下即從這個(gè)等待隊(duì)列中拿出一個(gè)連接。 通常服務(wù)端要服務(wù)多個(gè)客戶端請(qǐng)求的連接，所以會(huì)循環(huán)從等待隊(duì)列中拿出連接，進(jìn)行接收發(fā)送。

while (true) 
      { 
        var accept= listenSocket.Accept();
        accept.Receive(); 
        accept.Send(); 
      }

多線程并發(fā)
上面的服務(wù)端程序處理接收和發(fā)送消息都是在當(dāng)前線程下完成的，這意味著要處理完一個(gè)客戶端連接后才能去處理下一個(gè)連接，如果當(dāng)前連接是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫或者文件讀取寫入等IO操作，那會(huì)極大浪費(fèi)服務(wù)器的CPU資源，降低了服務(wù)器吞吐量。

while (true)
      {
        var accept = listenSocket.Accept();
        ThreadPool.QueueUserWorkItem((obj) =>
        {
          byte[] receive = new byte[100];
          accept.Receive(receive);
          byte[] send = new byte[100];
          accept.Send(receive);
        });
      }

如例子中，當(dāng)監(jiān)聽到有新連接請(qǐng)求過來時(shí)，調(diào)用Accept()取出當(dāng)前連接的socket，使用新的線程去處理接收和發(fā)送信息，這樣服務(wù)端就能實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理多個(gè)客戶端了。 上述代碼中，在高并發(fā)下其實(shí)是有問題的，如果客戶端連接請(qǐng)求成千上萬個(gè)，那線程數(shù)量也會(huì)有這么多，每個(gè)線程的棧空間都需要消耗部分內(nèi)存，再加上線程上下文切換，容易導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)載過高，吞吐量大大下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起宕機(jī)。 當(dāng)前例子中使用系統(tǒng)ThreadPool的話，線程數(shù)量會(huì)固定在一個(gè)數(shù)量上，默認(rèn)是1000，不會(huì)無限制開線程，會(huì)把處理超出線程數(shù)量的請(qǐng)求放到線程池中的隊(duì)列上面。
在unix下類似的實(shí)現(xiàn)有2種：

fork一個(gè)新進(jìn)程去處理客戶端的連接：

var connfd = Accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&cliaddr_len); 
var m = fork(); 
if(m == 0) 
{
 //do something 
}

創(chuàng)建一個(gè)新的線程處理限流：

var *clientsockfd = accept(serversockfd,(struct sockaddr *)&clientaddress, (socklent *)&clientlen);
 if(pthreadcreate(&thread, NULL, recdata, clientsockfd)!=0) 
{ //do something 
}

阻塞式同步IO
上述例子中使用的即是該模型，使用起來簡單方便。

while (true)
      {
        var accept = listenSocket.Accept();
        byte[] receive = new byte[100];
        accept.Receive(receive);
        byte[] send = new byte[100];
        accept.Send(receive);
      }

從調(diào)用Receive函數(shù)起到接受到客戶端發(fā)過來的數(shù)據(jù)期間，該函數(shù)會(huì)一直阻塞等待著，這個(gè)阻塞期間處理流程如下：

1. 客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)
2. 通過廣域網(wǎng)局域網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)端機(jī)器網(wǎng)卡緩沖區(qū)上
3. 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)對(duì)CPU發(fā)送中斷指令
4. CPU把數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)
5. CPU再把內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝用戶緩沖區(qū)，上面的receive字節(jié)數(shù)組。

至此處理成功，開始處理下一個(gè)連接請(qǐng)求。 調(diào)用發(fā)送函數(shù)同樣會(huì)阻塞在當(dāng)前，然后把用戶緩沖區(qū)(send字節(jié)數(shù)組)數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中TCP發(fā)送緩沖區(qū)中。 TCP的發(fā)送緩沖區(qū)也有一定的大小限制，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)大于該限制，send函數(shù)會(huì)一直等待發(fā)送緩沖區(qū)有空閑時(shí)完全拷貝完才會(huì)返回，繼續(xù)處理后續(xù)連接請(qǐng)求。

異步IO
上篇提到用多線程處理多個(gè)阻塞同步IO而實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)端，這種模式在連接數(shù)量比較小的時(shí)候非常適合，一旦連接過多，性能會(huì)急速下降。 在大多數(shù)服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)軟件中會(huì)采用一種異步IO的方式來提高性能。

同步IO方式：連接Receive請(qǐng)求->等待->等待->接收成功
異步IO方式：連接Receive請(qǐng)求->立即返回->事件或回調(diào)通知
采用異步IO方式，意味著單線程可以處理多個(gè)請(qǐng)求了，連接發(fā)起一個(gè)Receive請(qǐng)求后，當(dāng)前線程可以立即去做別的事情，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢通知線程處理即可。
其數(shù)據(jù)接收分2部分：

數(shù)據(jù)從別的機(jī)器發(fā)送內(nèi)核緩沖區(qū)
內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)
第二部分示例代碼：

byte[] msg = new byte[256]; socket.Receive(msg);

介紹這2部分的目的是方便區(qū)分其他幾種方式。 對(duì)于用戶程序來說，同步IO和異步IO的區(qū)別在于第二部分是否需要等待。

非阻塞式同步IO
非阻塞式同步IO，由同步IO延伸出來，把這個(gè)名詞拆分成2部分描述：

• 非阻塞式，指的是上節(jié)"數(shù)據(jù)從別的機(jī)器發(fā)送內(nèi)核緩沖區(qū)"部分是非阻塞的。
• 同步IO，指的是上節(jié)"內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)"部分是等待的。

既然是第一部分是非阻塞的，那就需要一種方法得知什么時(shí)候內(nèi)核緩沖區(qū)是OK的。 設(shè)置非阻塞模式后，在連接調(diào)用Receive方法時(shí)，會(huì)立即返回一個(gè)標(biāo)記，告知用戶程序內(nèi)核緩存區(qū)有沒有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)開始進(jìn)行第二部分操作，從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶程序緩沖區(qū)。 由于系統(tǒng)會(huì)返回個(gè)標(biāo)記，那可以通過輪詢方式來判斷內(nèi)核緩沖區(qū)是否OK。

設(shè)置非阻塞模式參考代碼：

SocketInformation sif=new SocketInformation();
sif.Options=SocketInformationOptions.NonBlocking;
sif.ProtocolInformation = new byte[24];
Socket socket = new Socket(sif);

輪詢參考代碼：

while(true) 
{
byte[] msg = new byte[256];
var temp = socket.Receive(msg);
if (temp=="OK"){
//do something
}else{ continue }
}

這種方式近乎淘汰了，了解即可。

基于回調(diào)的異步IO
上面介紹過：

異步IO方式：連接Receive請(qǐng)求->立即返回->事件或回調(diào)通知
當(dāng)回調(diào)到執(zhí)行時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)在用戶程序緩沖區(qū)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，在回調(diào)代碼中對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯即可。

發(fā)出接收請(qǐng)求：

static byte[] msg = new byte[256]; 
var temp = socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(ReadCallback), socket);

回調(diào)函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)做處理：

public static void ReadCallback(IAsyncResult ar) 
{ 
var socket = (Socket)ar.AsyncState;
 int read = socket.EndReceive(ar);
DoSomething(msg); 
socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(Read_Callback), socket);
}

當(dāng)回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，需要先結(jié)束接收請(qǐng)求EndReceive，以便第二次發(fā)出接收請(qǐng)求。 在服務(wù)端程序中要處理多個(gè)客戶端的接收，再次發(fā)出BeginReceive接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求即可。

這里的回調(diào)函數(shù)是在另外一個(gè)線程的觸發(fā)，必要時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)加鎖防止數(shù)據(jù)競爭：

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

針對(duì)C#網(wǎng)絡(luò)編程的介紹就到這了，具體的大家可以查看我們之前發(fā)布的文章。