[C++ 网络协议] 重叠I/O模型

news2024/11/25 19:16:18

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1. 什么是重叠I/O模型

2. 重叠I/O模型的实现

2.1 创建重叠非阻塞I/O模式的套接字

2.2 执行重叠I/O的Send函数

2.3 执行重叠I/O的Recv函数

2.4 获取执行I/O重叠的函数的执行结果

2.5 重叠I/O的I/O完成确认

2.5.1 使用事件对象（使用重叠I/O函数的第六个参数）

2.5.2 使用Completion Routine函数（使用重叠I/O的第七个参数）

3. 用重叠I/O实现回声服务器端

1. 什么是重叠I/O模型

重叠I/O模型：

重叠I/O：同一线程内部向多个目标传输(或从多个目标接收)数据引起的I/O重叠现象。

所以为了完成这一功能，要求套接字的I/O函数要立即返回，以便于后面的套接字的I/O处理。这就有点像是异步I/O模型。如图：

异步I/O模型： 

所以，从结果上来看，重叠I/O的前提条件就是异步I/O。

非阻塞I/O、异步I/O、重叠I/O之间的关系：重叠I/O离不开异步I/O，异步I/O离不开非阻塞I/O，三者之间应该是层层递进的关系。

2. 重叠I/O模型的实现

重叠I/O的重点不在于I/O，因为只要是非阻塞I/O就都能调用并立即返回，我们要关注的是在I/O返回后，我们怎么确认它的执行结果，怎么知道它什么时候读取/发送数据结束，怎么知道它读取/发送了多少数据？这些问题。

2.1 创建重叠非阻塞I/O模式的套接字

#include<winsock2.h>

SOCKET WSASocket(
int af,                                //协议族信息
int type,                              //套接字数据传输方式
int protocol,                          //使用的协议信息
LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,     //包含创建的套接字信息的WSAPROTOCOL_INFO结构体变量地址值
                                       //不需要时传NULL
GROUP g,                               //为扩展函数而预约的参数，可以使用0
DWORD dwFlags                          //套接字属性信息
);
成功返回套接字句柄
失败返回INVALID_SOCKET

创建进行重叠I/O模式的套接字：

hSocket=WSASocket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);

第五个参数传WSA_FLAG_OVERLAPPED。 

将套接字改为非阻塞I/O模式： 

int mode=1;
ioctlsocket(hSocket,FIONBIO,(u_long*)&mode);    //非阻塞I/O的设置

将hSocket句柄引用的套接字I/O模式(FIONBIO)改为变量mode中指定的形式。

当设置为非阻塞模式后：

  • 如果在没有客户端请求连接的情况下，调用accpet函数，将直接返回INVALID_SOCKET，调用WSAGetLastError函数，将返回WSAEWOULDBLOCK
  • 调用accpet函数时创建的套接字同样具有非阻塞属性。

所以如果针对非阻塞套接字调用accept函数时，要判断返回INVALID_SOCKET的理由。有可能是accpet函数未成功，也有可能是没有客户端请求连接。

2.2 执行重叠I/O的Send函数

#include<winsock2.h>

int WSASend(
SOCKET s,     //套接字句柄
LPWSABUF lpBuffers,    //WSABUF结构体变量数组的地址值
DWORD dwBufferCount,   //第二个参数中数组长度
LPDWORD lpNumberOfBytesSent,    //保存实际发送字节数的变量地址值
DWORD dwFlags,    //用于更改数据传输特性，如传递MSG_OOB时发送OOB模式的数据
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,    //WSAOVERLAPPED结构体变量地址值，使用事件对象，用于确认完成数据传输
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTING lpCompletionRoutine //传入Completion Routine函数的入口
                                 //地址值，可以通过该函数确认是否完成数据传输
);
成功返回0
失败返回SOCKET_ERROR

第二个参数，lpBuffers：

struct __WSABUF
{
    u_long len;    //待传输数据大小
    char FAR* buf; //缓冲地址值
}WSABUF,*LPWSABUF;

第四个参数，lpNumberOfBytesSent：

填写了第四个参数会有如下两种情况：

        1.当传输数据不大，函数调用后可以立即完成数据传输时，WSASend函数将返回0，lpNumberOfBytesSent中保存实际传输的数据大小。

        2.当传输数据过大，函数调用后不能立即完成数据传输时，WSASend函数将返回SOCKET_ERROR，并将WSA_IO_PENDING注册为错误代码。该代码通过函数WSAGetLastError函数得到：

#include<winsock2.h>

int WSAGetLastError(void);
返回错误代码(表示错误原因)

第六个参数，lpOverlapped：

struct __WSAOVERLAPPED
{
    DWORD Internal;
    DWORD InternalHigh;
    DWORD Offset;
    DWORD offsetHigh;
    WSAEVENT hEvent;
}WSAOVERLAPPED,*LPWSAOVERLAPPED;

 其中Internal、InternalHigh成员是进行重叠I/O时操作系统内部使用成员，Offset、OffsetHigh是属于具有特殊用途的成员。所以只需关注hEvent成员，前四个成员置零即可。

注意：

        1.为了进行重叠I/O，WSASend函数的lpOverlapped参数中应该传递有效的结构体变量地址值，而不是NULL。否则，SOCKET s将以阻塞模式工作。

        2.向多个目标传输数据时，要分别构建lpOverlapped参数。但如果是同一个目标的接收/发送，就只需构建一次lpOvrelapped参数即可。

第七个参数， lpCompletionRoutine：

这是传入lpCompletionRoutine的函数原型：

void CALLBACK CompletionROUTING(
DWORD dwError,                    //写入错误信息，正常结束写入0
DWORD bdTransferred,              //写入实际收发的字节数
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,     //写入WSASend\WSARecv函数的参数lpOverlapped
DWORD dwFlags                     //写入调用I/O时传入的特性信息或0
);

其中void返回值类型后面必须要有CALLBACK关键字。

2.3 执行重叠I/O的Recv函数

#include<winsock2.h>

int WSARecv(
SOCKET s,     //套接字句柄
LPWSABUF lpBuffers,    //WSABUF结构体变量数组的地址值
DWORD dwBufferCount,   //第二个参数中数组长度
LPDWORD lpNumberOfBytesSent,    //保存实际接收字节数的变量地址值
LPDWORD dwFlags,    //用于设置或读取数据传输特性，如接收MSG_OOB时发送的OOB模式的数据
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,    //WSAOVERLAPPED结构体变量地址值，使用事件对象，用于确认完成数据接收
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTING lpCompletionRoutine //传入Completion Routine函数的入口
                                 //地址值，可以通过该函数确认是否完成数据接收
);
成功返回0
失败返回SOCKET_ERROR

 这个和WSASend函数没什么区别。

2.4 获取执行I/O重叠的函数的执行结果

#include<winsock2.h>

BOOL WSAGetOverlappedResult(
SOCKET s,                        //进行重叠I/O的套接字句柄
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,    //进行重叠I/O时传递的WSAOVERLAPPED结构体变量的地址值
LPDWORD lpcbTransger,            //保存实际传输的字节数的变量地址值
BOOL fWait,                      //如果调用该函数仍在进行I/O，则
                                 //填TRUE时，等待I/O完成
                                 //填FALSE时，函数退出并返回FALSE
LPDWORD lpdwFlags                //调用WSARecv函数时，用于获取附加信息(如OOB消息)。
                                 //不需要，可以传NULL
);
成功返回TRUE
失败返回FALSE

可以获取实际的传输数据大小。同时还可以通过第四个参数验证接收数据的状态。

2.5 重叠I/O的I/O完成确认

2.5.1 使用事件对象（使用重叠I/O函数的第六个参数）

第六个参数：WSAOVERLAPPED结构体。

当重叠I/O完成时：

  • WSAOVERLAPPED结构体里的事件对象将变为signaled状态。
  • 验证I/O的完成结果需要调用WSAGetOverlappedResult函数。

如：

if(SOCKET_ERROR==WSASend(hSocket,&dataBuf,1,&sendBytes,0,&overlapped,NULL))
{
    if(WSAGetLastError()==WSA_IO_PENDING)    //说明数据还未传输完成
    {
        WSAWaitForMultipleEvents(1,&evObj,TRUE,WSA_INFINITE,FALSE);    //等待事件对象结束
        WSAGetOverlappedResult(hSocket,&overlapped,&sendBytes,FALSE,NULL); //得到结果
    }
    else
    {
        ......
    }
}
//说明数据传输完成
......

2.5.2 使用Completion Routine函数（使用重叠I/O的第七个参数）

规则：只有请求I/O的线程处于alertable wait状态时才能调用Completion Routine函数。

alertable wait状态指：等待接收操作系统消息的线程状态。

调用以下函数将进入alertable wait状态：

  • WaitForSingleObjectEx
  • WaitForMultipleObjectsEx
  • WSAWaitForMultipleEvents
  • SleepEx
  • WSA为前缀的上述函数

上述函数和去掉Ex的函数相同，只是上述函数增加了一个参数，为TURE那么就进入alertable wait状态，反之，则不进入。

为什么设定了这个规则？

因为：如果在执行重要任务时，突然调用Completion Routine函数，将破坏程序的正常执行流，所以要定义这个规则。

所以你可以在执行完重要任务后，调用上述任一函数，验证I/O完成与否，如果有已完成的I/O，则操作系统会调用响应的Completion Routine函数。调用结束后，上述函数会返回WAIT_IO_COMPLETION，并继续执行。

int main()
{
    ......
    //进入alertable wait状态，调用CompRoutine函数
    int idx=WSAWaitForMultipleEvents(1,&evObj,FALSE,WSA_INFINITE,TRUE);
    if(inx==WAIT_TO_COMPLETION)
    {
        
    }
    ......
}

void CALLBACK CompRoutine(......)
{
    ......
}

使用Completion Routine方式的一个小知识点：

        使用Completion Routine就可以无需事件对象了，所以在WSASend/WSARecv的第六个参数填写WSAOVERLAPPED结构体时，里面的事件对象(hEvent)，可以存储写入其他信息，这个数据类型会被传送到CALLBACK的函数里的第三个参数，此时直接对hEvent进行强制转换，就可以得到相应的信息了。

struct message
{
    ......;
}
message msg;
overlapped.hEvent=(HANDLE)&msg;    //HANDLE是指针类型
//记住使用的是Completion Routine方式哦

void CALLBACK Completion(DWORD error, DWORD transfer, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags)
{
    message mesg=(message)(lpOverlapped->hEvent);
    ......
}

3. 用重叠I/O实现回声服务器端

实现一：使用事件对象的方式来完成确认

这个比较简单，故省略。

实现二：使用Completion Routine的方式来完成确认

变量：

EventMessage结构体：用以存储连接的SOCKET套接字和对应客户端发送过来的消息内容。

为什么要创建一个这样的结构体？

因为：程序的运行是异步的，在while循环里，每连接一个客户端，SOCKET对应的客户端套接字变量，就会被重新赋值，就会导致写的RecvCompletion和SendCompletion函数里的SOCKET值会变化，这样发送的套接字就不正确了。所以必须要一个套接字对应一个客户端发送来的内容。

思路要点：

  1. 要保证客户端与服务器之间不只是发送一次数据，就要在RecvCompletion里面调用WSASend函数，在SendCompletion里面调用WSARecv函数，来达成循环。
  2. 使用EventMessage结构体，存储套接字和消息内容，把结构体地址值写入WSAOVERLAPPED的hEvent变量里，就可以在RecvCompletion和SendComplition里传递套接字和消息内容信息。
void CALLBACK RecvCompletion(DWORD error, DWORD transfer, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags);
void CALLBACK SendCompletion(DWORD error, DWORD transfer, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags);

struct EventMessage
{
	WSABUF recvBuf;
	SOCKET client;
};

int main()
{
    ......//这里和方式一都是一样的

	while (1)
	{
		SleepEx(100, TRUE);    //进入alertable wait状态
		sockaddr_in clientAddr;
		memset(&clientAddr, 0, sizeof(clientAddr));
		int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
		SOCKET client = accept(server, (sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);
		if (INVALID_SOCKET == client)
		{
			if (WSAGetLastError() == WSAEWOULDBLOCK)
			{
				std::cout << "没有客户端连接" << std::endl;
			}
			else
			{
				std::cout << "accept fail!" << std::endl;
			}
			continue;
		}

		EventMessage eventMsg;
		char buff[1024];
		eventMsg.recvBuf.buf = buff;
		eventMsg.recvBuf.len = sizeof(buff);
		eventMsg.client = client;

		WSAOVERLAPPED recvOverlapeed;
		memset(&recvOverlapeed, 0, sizeof(recvOverlapeed));
		recvOverlapeed.hEvent = (HANDLE)&eventMsg;
		DWORD recvLen;
		DWORD recvFlag=0;
		WSARecv(client, &eventMsg.recvBuf, 1, &recvLen, &recvFlag, &recvOverlapeed, RecvCompletion);
	}
}

void CALLBACK RecvCompletion(DWORD error, DWORD transfer, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags)
{
	if (error == 0)		//说明是正确结束
	{
		EventMessage eventMsg =*(EventMessage*)lpOverlapped->hEvent;
		int recvLen = transfer;	//获取接收的字节数
		if (recvLen == 0)
		{
			std::cout << "客户端已断开!" << std::endl;
			closesocket(eventMsg.client);
			return;
		}
		std::cout << "客户端发来的信息:" << eventMsg.recvBuf.buf << std::endl;
		WSASend(eventMsg.client, &eventMsg.recvBuf, 1, &transfer, flags, lpOverlapped, SendCompletion);
	}
}

void CALLBACK SendCompletion(DWORD error, DWORD transfer, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags)
{
	if (error == 0)
	{
		EventMessage eventMsg = *(EventMessage*)lpOverlapped->hEvent;
		char buff[1024];
		eventMsg.recvBuf.buf = buff;
		eventMsg.recvBuf.len = sizeof(buff);
		DWORD recvLen;
		DWORD recvFlag = 0;
		WSARecv(eventMsg.client, &eventMsg.recvBuf, 1, &recvLen, &recvFlag, lpOverlapped, RecvCompletion);
	}
}

执行结果：

因为是异步执行的，所以线程不会等待，会持续往下执行，当有消息传来时，就会执行Complition函数进行处理，线程不会阻塞住。

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