Windows Socket五种I/O模型——代码全攻略(转)

如果你想在Windows平台上构建服务器应用，那么I/O模型是你必须考虑的。Windows操作系统提供了选择（Select）、异步选择（WSAAsyncSelect）、事件选择（WSAEventSelect）、重叠I/O（Overlapped I/O）和完成端口（Completion Port)共五种I/O模型。每一种模型均适用于一种特定的应用场景。程序员应该对自己的应用需求非常明确，而且综合考虑到程序的扩展性和可移植性等因素，作出自己的选择。

我会以一个回应反射式服务器（与《Windows网络编程》第八章一样）来介绍这五种I/O模型。

客户端设计

我们假设客户端的代码如下（为代码直观，省去所有错误检查，以下同）：
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#include <WINSOCK2.H>
#include <stdio.h>
#define PORT    5150
#define MSGSIZE 1024

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

typedef enum
{
RECV_POSTED
}OPERATION_TYPE;

typedef struct
{
WSAOVERLAPPED  overlap;
WSABUF         Buffer;
char           szMessage[MSGSIZE];
DWORD          NumberOfBytesRecvd;
DWORD          Flags;
OPERATION_TYPE OperationType;
}PER_IO_OPERATION_DATA, *LPPER_IO_OPERATION_DATA;

DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID);

int main()
{
WSADATA                 wsaData;
SOCKET                  sListen, sClient;
SOCKADDR_IN             local, client;
DWORD                   i, dwThreadId;
int                     iaddrSize = sizeof(SOCKADDR_IN);
HANDLE                  CompletionPort = INVALID_HANDLE_VALUE;
SYSTEM_INFO             systeminfo;
LPPER_IO_OPERATION_DATA lpPerIOData = NULL;

// Initialize Windows Socket library
WSAStartup(0x0202, &wsaData);

// Create completion port
CompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);

// Create worker thread
GetSystemInfo(&systeminfo);
for (i = 0; i < systeminfo.dwNumberOfProcessors; i++)
{
CreateThread(NULL, 0, WorkerThread, CompletionPort, 0, &dwThreadId);
}

// Create listening socket
sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

// Bind
local.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(PORT);
bind(sListen, (struct sockaddr *)&local, sizeof(SOCKADDR_IN));

// Listen
listen(sListen, 3);

while (TRUE)
{
// Accept a connection
sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client, &iaddrSize);
printf("Accepted client:%s:%d/n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));

// Associate the newly arrived client socket with completion port
CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient, CompletionPort, (DWORD)sClient, 0);

// Launch an asynchronous operation for new arrived connection
lpPerIOData = (LPPER_IO_OPERATION_DATA)HeapAlloc(
GetProcessHeap(),
HEAP_ZERO_MEMORY,
sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
lpPerIOData->Buffer.len = MSGSIZE;
lpPerIOData->Buffer.buf = lpPerIOData->szMessage;
lpPerIOData->OperationType = RECV_POSTED;
WSARecv(sClient,
&lpPerIOData->Buffer,
1,
&lpPerIOData->NumberOfBytesRecvd,
&lpPerIOData->Flags,
&lpPerIOData->overlap,
NULL);
}

PostQueuedCompletionStatus(CompletionPort, 0xFFFFFFFF, 0, NULL);
CloseHandle(CompletionPort);
closesocket(sListen);
WSACleanup();
return 0;
}

DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID CompletionPortID)
{
HANDLE                  CompletionPort=(HANDLE)CompletionPortID;
DWORD                   dwBytesTransferred;
SOCKET                  sClient;
LPPER_IO_OPERATION_DATA lpPerIOData = NULL;

while (TRUE)
{
GetQueuedCompletionStatus(
CompletionPort,
&dwBytesTransferred,
&sClient,
(LPOVERLAPPED *)&lpPerIOData,
INFINITE);
if (dwBytesTransferred == 0xFFFFFFFF)
{
return 0;
}

if (lpPerIOData->OperationType == RECV_POSTED)
{
if (dwBytesTransferred == 0)
{
// Connection was closed by client
closesocket(sClient);
HeapFree(GetProcessHeap(), 0, lpPerIOData);
}
else
{
lpPerIOData->szMessage[dwBytesTransferred] = '/0';
send(sClient, lpPerIOData->szMessage, dwBytesTransferred, 0);

// Launch another asynchronous operation for sClient
memset(lpPerIOData, 0, sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
lpPerIOData->Buffer.len = MSGSIZE;
lpPerIOData->Buffer.buf = lpPerIOData->szMessage;
lpPerIOData->OperationType = RECV_POSTED;
WSARecv(sClient,
&lpPerIOData->Buffer,
1,
&lpPerIOData->NumberOfBytesRecvd,
&lpPerIOData->Flags,
&lpPerIOData->overlap,
NULL);
}
}
}
return 0;
}

首先，说说主线程：
1.创建完成端口对象
2.创建工作者线程（这里工作者线程的数量是按照CPU的个数来决定的，这样可以达到最佳性能）
3.创建监听套接字，绑定，监听，然后程序进入循环
4.在循环中，我做了以下几件事情：
(1).接受一个客户端连接
(2).将该客户端套接字与完成端口绑定到一起(还是调用CreateIoCompletionPort，但这次的作用不同)，注意，按道理来讲，此时传递给CreateIoCompletionPort的第三个参数应该是一个完成键，一般来讲，程序都是传递一个单句柄数据结构的地址，该单句柄数据包含了和该客户端连接有关的信息，由于我们只关心套接字句柄，所以直接将套接字句柄作为完成键传递；
(3).触发一个WSARecv异步调用，这次又用到了“尾随数据”，使接收数据所用的缓冲区紧跟在WSAOVERLAPPED对象之后，此外，还有操作类型等重要信息。

在工作者线程的循环中，我们
1.调用GetQueuedCompletionStatus取得本次I/O的相关信息（例如套接字句柄、传送的字节数、单I/O数据结构的地址等等）
2.通过单I/O数据结构找到接收数据缓冲区，然后将数据原封不动的发送到客户端
3.再次触发一个WSARecv异步操作

六.五种I/O模型的比较

我会从以下几个方面来进行比较
*有无每线程64连接数限制
如果在选择模型中没有重新定义FD_SETSIZE宏，则每个fd_set默认可以装下64个SOCKET。同样的，受MAXIMUM_WAIT_OBJECTS宏的影响，事件选择、用事件通知实现的重叠I/O都有每线程最大64连接数限制。如果连接数成千上万，则必须对客户端套接字进行分组，这样，势必增加程序的复杂度。
相反，异步选择、用完成例程实现的重叠I/O和完成端口不受此限制。
*线程数
除了异步选择以外，其他模型至少需要2个线程。一个主线程和一个辅助线程。同样的，如果连接数大于64，则选择模型、事件选择和用事件通知实现的重叠I/O的线程数还要增加。

*实现的复杂度
我的个人看法是，在实现难度上，异步选择<选择<用完成例程实现的重叠I/O<事件选择<完成端口<用事件通知实现的重叠I/O

*性能
由于选择模型中每次都要重设读集，在select函数返回后还要针对所有套接字进行逐一测试，我的感觉是效率比较差；完成端口和用完成例程实现的重叠I/O基本上不涉及全局数据，效率应该是最高的，而且在多处理器情形下完成端口还要高一些；事件选择和用事件通知实现的重叠I/O在实现机制上都是采用WSAWaitForMultipleEvents，感觉效率差不多；至于异步选择，不好比较。所以我的结论是:选择<用事件通知实现的重叠I/O<事件选择<用完成例程实现的重叠I/O<完成端口

转载自:Windows Socket五种I/O模型——代码全攻略