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基礎
Socket編程
多線程并發(fā)
阻塞式同步IO

基礎
在現今軟件開發(fā)中，網絡編程是非常重要的一部分，本文簡要介紹下網絡編程的概念和實踐。
Socket是一種網絡編程接口，它是對傳輸層TCP、UDP通信協(xié)議的一層封裝，通過友好的API暴露出去，方便在進程或多臺機器間進行網絡通信。

Socket編程

在網絡編程中分客戶端和服務端兩種角色，比如通過打開瀏覽器訪問到掛在Web軟件上的網頁，從程序角度上來看，即客戶端(瀏覽器)發(fā)起了一個Socket請求到服務器端，服務器把網頁內容返回到瀏覽器解析后展示。在客戶端和服務端數據通信前，會進行三次確認才會正式建立連接，也即是三次握手。

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

TCP/IP協(xié)議是網絡間通信的基礎協(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，僅是其內部實現有所不同，比如Linux下的epoll和windows下的IOCP。

服務端

• 實例化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函數中有個int類型參數，它表示最大等待處理連接的數量，表示已建立連接但還未處理的數量，每調用Accept函數一下即從這個等待隊列中拿出一個連接。 通常服務端要服務多個客戶端請求的連接，所以會循環(huán)從等待隊列中拿出連接，進行接收發(fā)送。

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

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

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，當監(jiān)聽到有新連接請求過來時，調用Accept()取出當前連接的socket，使用新的線程去處理接收和發(fā)送信息，這樣服務端就能實現并發(fā)處理多個客戶端了。 上述代碼中，在高并發(fā)下其實是有問題的，如果客戶端連接請求成千上萬個，那線程數量也會有這么多，每個線程的?？臻g都需要消耗部分內存，再加上線程上下文切換，容易導致服務器負載過高，吞吐量大大下降，嚴重時會引起宕機。 當前例子中使用系統(tǒng)ThreadPool的話，線程數量會固定在一個數量上，默認是1000，不會無限制開線程，會把處理超出線程數量的請求放到線程池中的隊列上面。
在unix下類似的實現有2種：

fork一個新進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);
      }

從調用Receive函數起到接受到客戶端發(fā)過來的數據期間，該函數會一直阻塞等待著，這個阻塞期間處理流程如下：

1. 客戶端發(fā)送數據
2. 通過廣域網局域網發(fā)送到服務端機器網卡緩沖區(qū)上
3. 網卡驅動對CPU發(fā)送中斷指令
4. CPU把數據拷貝到內核緩沖區(qū)
5. CPU再把內核緩沖區(qū)的數據拷貝用戶緩沖區(qū)，上面的receive字節(jié)數組。

至此處理成功，開始處理下一個連接請求。 調用發(fā)送函數同樣會阻塞在當前，然后把用戶緩沖區(qū)(send字節(jié)數組)數據拷貝到內核中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)送的數據大于該限制，send函數會一直等待發(fā)送緩沖區(qū)有空閑時完全拷貝完才會返回，繼續(xù)處理后續(xù)連接請求。

異步IO
上篇提到用多線程處理多個阻塞同步IO而實現并發(fā)服務端，這種模式在連接數量比較小的時候非常適合，一旦連接過多，性能會急速下降。 在大多數服務端網絡軟件中會采用一種異步IO的方式來提高性能。

同步IO方式：連接Receive請求->等待->等待->接收成功
異步IO方式：連接Receive請求->立即返回->事件或回調通知
采用異步IO方式，意味著單線程可以處理多個請求了，連接發(fā)起一個Receive請求后，當前線程可以立即去做別的事情，當數據接收完畢通知線程處理即可。
其數據接收分2部分：

數據從別的機器發(fā)送內核緩沖區(qū)
內核緩沖區(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，把這個名詞拆分成2部分描述：

• 非阻塞式，指的是上節(jié)"數據從別的機器發(fā)送內核緩沖區(qū)"部分是非阻塞的。
• 同步IO，指的是上節(jié)"內核緩沖區(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候內核緩沖區(qū)是OK的。 設置非阻塞模式后，在連接調用Receive方法時，會立即返回一個標記，告知用戶程序內核緩存區(qū)有沒有數據，如果有數據開始進行第二部分操作，從內核緩沖區(qū)拷貝到用戶程序緩沖區(qū)。 由于系統(tǒng)會返回個標記，那可以通過輪詢方式來判斷內核緩沖區(qū)是否OK。

設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。

基于回調的異步IO
上面介紹過：

異步IO方式：連接Receive請求->立即返回->事件或回調通知
當回調到執(zhí)行時，數據已經在用戶程序緩沖區(qū)已經準備好了，在回調代碼中對這部分數據進行相應的邏輯即可。

發(fā)出接收請求：

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

回調函數中對數據做處理：

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);
}

當回調函數執(zhí)行時，表示數據已經準備好，需要先結束接收請求EndReceive，以便第二次發(fā)出接收請求。 在服務端程序中要處理多個客戶端的接收，再次發(fā)出BeginReceive接收數據請求即可。

這里的回調函數是在另外一個線程的觸發(fā)，必要時要對數據加鎖防止數據競爭：

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

針對C#網絡編程的介紹就到這了，具體的大家可以查看腳本之家之前發(fā)布的文章。

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