网络编程（54）—— Windows下使用WSASocket基于事件进行IO重叠

17-01-06 来源：[db:作者]

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一、引言

本文主要研究下Windows下的IO重叠技术。

何为IO重叠？按照它的定义，在同一个线程中，我们同时向多个目标socket发送数据或者从多个socket接收数据，而我们用于传递和接收的函数未等IO过程结束就返回，而数据的传递和接收工作完全交给了操作系统，在这个过程中针对目标socket的每个IO操作在时间片上都发生了重叠，这就是IO重叠，如下图所示：

二、创建支持IO重叠的套接字

使用IO重叠技术时，我们不能再使用普通的套接字，而是需要使用WSASocket函数创建支持IO重叠的套接字。WSASocket的原型如下：

SOCKET WSASocket(
  __in int af,
  __in int type,
  __in int protocol,
  __in LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
  __in GROUP g,
  __in DWORD dwFlags
);

af —— 协议族，和普通socket函数一致。

type —— 协议类型，和普通socket函数一致。

protocol —— 协议，和普通的socket函数一致。

lpProtocolInfo —— 包含创建套接字信息的WSAPROTOCOL_INFO结构体变量地址值，一般情况下为NULL即可。

g —— 保留字段，为0即可。

dwFlags —— 套接字的属性，我们创建的支持IO叠加的属性就是在这里进行设置，设置成WSA_FLAG_OVERLAPPED。

创建完成支持IO重叠的套接字之后，中间套接字的bind、listen以及accept和connect和普通的socket一致，不同的是我们发送和接收数据时需要改用WSASend和WSARecv，下面就这两个函数进行介绍。

三、使用WSASend发送数据

WSASend函数的原型如下：

int WSASend(
  __in  SOCKET s,
  __in  LPWSABUF lpBuffers,
  __in  DWORD dwBufferCount,
  __out LPDWORD lpNumberOfBytesSent,
  __in  DWORD dwFlags,
  __in  LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
  __in   LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINElpCompletionRoutine
);

s —— 要发送数据的目标套接字。

lpBuffers—— WSABUF结构体指针。与普通的send函数不同，WSASend将要传递的数据封装在WSABUF类型的结构体中，其原型如下：

typedef struct__WSABUF {
  u_long  len;
  char FAR *buf;
} WSABUF,*LPWSABUF;

buf是我们要发送的数据数组，len是该数组的长度。lpBuffers是WSABUF类型的数组指针，也就是说通过封装，WSASend可以一次性发送多个buffer，而非send函数的每次只能发送一个。

dwBufferCount——lpBuffers数组的元素个数。

lpNumberOfBytesSent—— 实际发送的数据的字节数。这里可能部分童鞋会有疑问：既然WSASend发送数据时不会发生阻塞，会立即返回，为什么这里还能接收到实际发送的字节数？

这要从WSASend发送数据的两种情况说起：

一、如果发送的数据很少，或者输出缓冲区为空，WSASend发送数据的效率将会很高，此时还没等WSASend函数返回，其实数据已经发送完成，这是实际发送的字节数将会被存到lpNumberOfBytesSent所指的内存中。

二、如果发送的数据很多，WSASend函数返回时，数据还没发送成功，这时WSASend将会返回WSA_IO_PENDING错误，我们可以通过WSAGetLastError函数获取到这个错误。然后调用WSAGetOverlappedResult获取最终的传输的数据字节数。WSAGetOverlappedResult的原型如下：

BOOL WSAAPI WSAGetOverlappedResult( __in SOCKET s, __in LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, __out LPDWORD lpcbTransfer, __in BOOL fWait, __out LPDWORD lpdwFlags );

        s是我们的目标socket。lpOverlapped是和socket关联的WSAOVERLAPPED类型变量的地址，稍后会解释这个结构体变量。lpcbTransfer用于存放保存实际传输字节变量的地址值。fWait为True时等待IO完成，为False时会直接返回False。lpdwFlags是调用WSARecv时用于获取附件信息，如OOB等一些通过socket优先信道传输的信息，一般为NULL即可。

dwFlags—— 用于更改数据的传输特性，如发送OOB模式的数据，传送数据时从优先信道传输额外的紧急度较高的附加数据，类似于高速公路的应急车道，一般情况下为0即可。

lpOverlapped—— 是一个WSAOVERLAPPED类型的结构体指针，WSAOVERLAPPED的定义如下：

typedef struct _WSAOVERLAPPED { ULONG_PTR Internal; ULONG_PTR InternalHigh; union { struct { DWORD Offset; DWORD OffsetHigh; } ; PVOID Pointer; } ; HANDLE hEvent; } WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;

它的前面四个成员我们不必关心，我们要关心的的它的hEvent成员，这是需要我们创建的non-signaled的auto-reset模式的事件句柄，基于事件的IO重叠模型中。如果完成IO时，这个事件所指的内核对象将被改变成signaled状态。我们在调用WSAGetOverlappedResult获取实际发送的字节之前需要先调用WSAWaitForMultipleEvents

等待IO结束，该事件的状态变成signaled。

lpCompletionRoutine—— 最后这个成员是一个函数指针，是用于确认IO完成状态的另一种方法，在本文设置成NULL即可。

上面就是WSASend函数所涉及到的相关知识，接下来介绍下WSARecv函数。

四、使用WSARecv接收数据

int WSARecv( __in SOCKET s, __inout LPWSABUF lpBuffers, __in DWORD dwBufferCount, __out LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd, __inout LPDWORD lpFlags, __in LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, __in LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine );

WSARecv各个参数的含义和作用和WSASend基本一致，这里就不再赘述。下面是基于事件进行IO重叠的一个回声服务端的例子，稍后会对关键代码进行解释。

五、代码示例

// WSASocketServ.cpp : 定?§义°?控?制?台??§应®|用®?程¨?序¨°的ì?入¨?口¨2点ì?。?ê
//
 
#include "stdafx.h"
#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
 
#define BUF_SIZE 30
#define SOCKS_SIZE 64
 
void ErrorHandler(const char* message);
void CompressSocks(SOCKET socks[],int pos,int size);
void CompressOverlappeds(WSAOVERLAPPED peds[],intpos,int size);
 
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    WSADatawsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);
    SOCKETservSock,clntSock;
    SOCKADDR_INservAddr,clntAddr;
    int clntAddrSz;
 
    char buf[BUF_SIZE];
 
    SOCKETsocks[SOCKS_SIZE];
    HANDLEevents[SOCKS_SIZE];
    unsigned long ul=1;
    int clntSockIndex;
 
    WSABUFwsaBuf;
    DWORDrecvBytes,sendBytes,flags=0;
    WSAOVERLAPPEDrdOverLappeds[SOCKS_SIZE];
    WSAOVERLAPPEDwrOverLappeds[SOCKS_SIZE];
 
    servSock=WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
    if(servSock==INVALID_SOCKET)
        ErrorHandler("WSASocket Error");
 
    memset(&servAddr,0,sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family=AF_INET;
    servAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    servAddr.sin_port=htons(atoi("8888"));
 
    if(bind(servSock,(SOCKADDR*)&servAddr,sizeof(servAddr))==SOCKET_ERROR)
        ErrorHandler("bind error");
 
    if(listen(servSock,5)==SOCKET_ERROR)
        ErrorHandler("listen error");
   
    //设|¨¨置?socket为a非¤?阻á¨¨塞¨?模?ê式o?
    ioctlsocket(servSock,FIONBIO,(unsigned long*)&ul);
    clntSockIndex= 0;
    while(1)
    {
        clntAddrSz=sizeof(clntAddr);
        clntSock=accept(servSock,(SOCKADDR*)&clntAddr,&clntAddrSz);
        if(clntSock!=INVALID_SOCKET)
        {
            socks[clntSockIndex]=clntSock;
            //存??储??é用®?于®¨2读¨￠的ì?WSAOVERLAPPED变à?量￠?
            HANDLEhRdEvent=WSACreateEvent();
            WSAOVERLAPPEDrdOverLapped;
            memset(&rdOverLapped,0,sizeof(rdOverLapped));
            rdOverLapped.hEvent=hRdEvent;
            rdOverLappeds[clntSockIndex]=rdOverLapped;
            //存??储??é用®?于®¨2写??的ì?WSAOVERLAPPED变à?量￠?
            HANDLEhWrEvent=WSACreateEvent();
            WSAOVERLAPPEDwrOverLapped;
            memset(&wrOverLapped,0,sizeof(wrOverLapped));
            wrOverLapped.hEvent=hWrEvent;
            wrOverLappeds[clntSockIndex]=wrOverLapped;
 
            clntSockIndex+= 1;
        }
 
        for (int i=0;i<clntsockindex;i++) {="" memset(&wsabuf,0,sizeof(wsabuf));="" wsabuf.buf="buf;" wsabuf.len="BUF_SIZE;" if(wsarecv(socks[i],&wsabuf,1,&recvbytes,&flags,&rdoverlappeds[i],null)="=SOCKET_ERROR)" if(wsagetlasterror()="=WSA_IO_PENDING)" puts("backgroud="" data="" recv");="" 当ì?à有&reg;d客¨a户?ì端?连￠?接¨&reg;后¨&reg;，ê?下?面?这a句?代?¨2码?会¨￠发¤?é生|¨2阻á¨¨塞¨?，ê?这a个?服¤t务?端?一°?次??只?能¨1和¨a一°?个?客¨a户?ì端?进?行d会¨￠话??="" wsawaitformultipleevents(1,&rdoverlappeds[i].hevent,true,wsa_infinite,false);="" wsagetoverlappedresult(socks[i],&rdoverlappeds[i],&recvbytes,false,null);="" }="" else="" puts("wsagetlasterror="" error");="" continue;="" if(recvbytes="=0)" closesocket(socks[i]);="" compresssocks(socks,i,socks_size);="" compressoverlappeds(wroverlappeds,i,socks_size);="" compressoverlappeds(rdoverlappeds,i,socks_size);="" clntsockindex--;="" i--;="" if(wsasend(socks[i],&wsabuf,1,&sendbytes,flags,&wroverlappeds[i],null)="=SOCKET_ERROR)" send");="" wsawaitformultipleevents(1,&wroverlappeds[i].hevent,true,wsa_infinite,false);="" wsagetoverlappedresult(socks[i],&wroverlappeds[i],&sendbytes,false,null);="" closesocket(servsock);="" wsacleanup();="" return="" 0;="" void="" compresssocks(socket="" socks[],int="" pos,int="" size)="" while(pos

第38行，调用WSASocket创建支持IO重叠的socket。

第54行，由于不需要再accept时进行阻塞，所以要把套接字改成非阻塞模式。

第63~68行，创建用于WSARecv的事件、WSAOVERLAPPED对象并把它放到数组中。

第70~74行，创建用于WSASend的事件、WSAOVERLAPPED对象并把它放到数组中。

第82~83行，将buf赋值给wsaBuf，用于在WSARecv中接收数据。

第85行，调用WSARecv接收客户端传来的数据。

第87~92行，由于WSAGetLastError返回了WSA_IO_PENDING，说明数据还没有接收完成，调用WSAWaitForMultipleEvents等待数据接收完成，事件所指内核变成singnaled状态。然后调用WSAGetOverlappedResult获取实际接收的字节数，此时接收的数据将会被存放到buf中。

第110~111行，将buf和实际接收的字节数再次赋值给wsaBuf，用于在WSASend中发送。

第112行，调用WSASend向客户端发送buf中的数据。

第114~118行，由于WSAGetLastError返回了WSA_IO_PENDING，说明数据还没有发送完成，调用WSAWaitForMultipleEvents等待数据发送完成，事件所指内核变成singnaled状态。然后调用WSAGetOverlappedResult获取实际发送的字节数。

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