C# IOCP SocketAsyncEventArgs 使用流程

文章探讨了IOCP(I/O完成端口)在Windows系统下实现高效异步Socket通信的过程,强调了在频繁请求和短连接场景下,使用SocketAsyncEventArgs的异步事件可能带来的性能下降问题。建议使用对象池来管理SocketAsyncEventArgs和缓冲区,以提升并发性能。文章还提到了在Linux系统中可以使用epoll实现类似的效果。同时,指出了在接收和发送数据时,如果不正确处理同步问题,可能会导致错误。最后,文章指出示例代码中的接收和发送是同步调用,可能导致在等待接收时阻塞发送,提出了需要分别处理发送和接收的异步操作,并注意避免共享同一异步事件对象的问题。

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IOCP 的SocketAsyncEventArgs实现流程

在这里插入图片描述

上述为IOCP执行过程,具体代码参见SocketAsyncEventArgs 类 (System.Net.Sockets) | Microsoft Learn

关于上图以及IOCP实现过程中的注解:

  1. 在请求较为频繁或连接时间相对较短时,异步事件需要频繁实例化,会降低并发性能,建议使用异步事件的对象池(SocketAsyncEventArgsPool)和缓存池来分配事件和缓冲区。

  2. 缓冲区必须进行显式设置,类型为byte[]或IList<ArraySegment<byte>>,必须有且只有一个,若二者都进行分配,将会报错。官方错误注解如下:

ArgumentException

参数无效。 e 参数的 BufferBufferList 属性必须引用有效的缓冲区。 可以设置这两个属性中的某一个,但不能同时设置这两个属性。

  1. 在Windows系统下,该异步方法采用IOCP来实现,在Linux方法下通过epoll来实现,C#原生Socket仅有Select能够支持简单的“并发”,如果想在Linux平台实现高效率,可以采用此方法以达到epoll的效率。

  2. 从上图不难看出:如果极端情况下,Accept后的Socket会一直或较长一段时间内处于同步状态,此时将会占用主线程来执行相关数据处理工作,会影响后续Socket的Accept。因此如果采用上述流程,应当尽可能避免将待收发数据的预处理操作放到完成事件绑定的方法内。通常的解决方法是将接收到的数据传入一个用线程池执行的方法内或创建一个Channel,将数据发往对应数据处理线程。但也可能会有人想要从Accept同步的角度去解决问题,但要注意异步方法的使用位置,一旦使用不当很容易引发错误。看如下官方代码:

public void StartAccept(SocketAsyncEventArgs acceptEventArg)
{
    // loop while the method completes synchronously
    bool willRaiseEvent = false;
    while (!willRaiseEvent)
    {
        m_maxNumberAcceptedClients.WaitOne();
        // socket must be cleared since the context object is being reused
        acceptEventArg.AcceptSocket = null;       //标记代码行 2     
        willRaiseEvent = listenSocket.AcceptAsync(acceptEventArg);
        if (!willRaiseEvent)
        {
            ProcessAccept(acceptEventArg);        //标记代码行 1
        }
     }
}

private void ProcessAccept(SocketAsyncEventArgs e)
{
    Interlocked.Increment(ref m_numConnectedSockets);
    Console.WriteLine("Client connection accepted. There are {0} clients connected to the server",m_numConnectedSockets);
    // Get the socket for the accepted client connection and put it into the
    //ReadEventArg object user token
    SocketAsyncEventArgs readEventArgs = m_readWritePool.Pop();
    readEventArgs.UserToken = e.AcceptSocket;    //标记代码行 3
    // As soon as the client is connected, post a receive to the connection
    bool willRaiseEvent = e.AcceptSocket.ReceiveAsync(readEventArgs);
    if (!willRaiseEvent)
    {
        ProcessReceive(readEventArgs);        //标记代码行 4
    }
}

        如果要从Accept方面解决同步问题,需要在 “标记代码行 1” 或 “标记代码行 4” 处采用异步(await、ThreadPool、Thread、Task),在 “1” 处采用异步,是将接收到的Socket异步事件初始分配及后续步骤作为异步操作,但如果观察一下 “2” 和 “3” 不难发现,如果采用异步,当前Socket异步执行ProcessAccept的过程和主线程执行StartAccept的过程是并行的,无法确定 “2” 和 “3” 的先后顺序,这样很可能会造成先将acceptEventArg.AcceptSocket指定为null,后将e.AcceptSocket赋给readEventArgs.UserToken(此处e和acceptEventArg指向同一对象)。因此在ProcessAccept处使用异步会产生空引用错误;如果在 “4” 处采用异步,则初始化后将同步接收代码交由异步处理,后续操作则不会引发错误。

  1. 上图中的执行流程很好地演示了SocketAsyncEventArgs类的异步收发数据以及初始化配置过程,但并不应当直接用于生产。因为该演示流程存在一个重大问题:异步接收和异步发送之间是同步关系。换句话说就是虽然是异步收发,但收和发两个动作是相互调用对方的异步函数,二者之间的顺序实则是同步的环状结构。相对来说,异步发送并不会占用太多时间(相对),因此接收函数能够很快地被调用并进行监听,但问题在于传统的Socket是收发并行的,服务端与客户端可以双向通信,并不依赖于某一方的主动操作,而上述流程如果出现发送方迟迟不发送的情况,即ReceiveAsync的完成事件迟迟不触发,则会一直“异步阻塞”下去,导致永远不会调用SendAsync。因此通常情况下需要分别调用发送和接收的异步函数并对自身异步递归调用。但需要注意的是,二者同时触发时,不可共用同一个异步事件,需要分别进行注册,官方提供错误注解如下:

InvalidOperationException

已经在使用 e 参数中指定的 SocketAsyncEventArgs 对象执行套接字操作。

1、在C#中,不用去面对完成端口的操作系统内核对象,Microsoft已经为我们提供了SocketAsyncEventArgs类,它封装了IOCP使用。请参考:http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.net.sockets.socketasynceventargs.aspx?cs-save-lang=1&cs-lang=cpp#code-snippet-1。 2、我的SocketAsyncEventArgsPool类使用List对象来存储对客户端来通信的SocketAsyncEventArgs对象,它相当于直接使用内核对象时的IoContext。我这样设计比用堆栈来实现的好处理是,我可以在SocketAsyncEventArgsPool池中找到任何一个与服务器连接的客户,主动向它发信息。而用堆栈来实现的话,要主动给客户发信息,则还要设计一个结构来存储已连接上服务器的客户。 3、对每一个客户端不管还发送还是接收,我使用同一个SocketAsyncEventArgs对象,对每一个客户端来说,通信是同步进行的,也就是说服务器高度保证同一个客户连接上要么在投递发送请求,并等待;或者是在投递接收请求,等待中。本例只做echo服务器,还未考虑由服务器主动向客户发送信息。 4、SocketAsyncEventArgs的UserToken被直接设定为被接受的客户端Socket。 5、没有使用BufferManager 类,因为我在初始化时给每一个SocketAsyncEventArgsPool中的对象分配一个缓冲区,发送时使用Arrary.Copy来进行字符拷贝,不去改变缓冲区的位置,只改变使用的长度,因此在下次投递接收请求时恢复缓冲区长度就可以了!如果要主动给客户发信息的话,可以new一个SocketAsyncEventArgs对象,或者在初始化中建立几个来专门用于主动发送信息,因为这种需求一般是进行信息群发,建立一个对象可以用于很多次信息发送,总体来看,这种花销不大,还减去了字符拷贝和消耗。
最近有项目要做一个高性能网络服务器,去网络上搜到到的都是C++版本而且是英文或者简单的DEMO,所以自己动手写了C# 的DEMO。 网络上只写接收到的数据,没有说怎么处理缓冲区数据,本DEMO简单的介绍如何处理接收到的数据。简单易用,希望对大家有用. 1、在C#中,不用去面对完成端口的操作系统内核对象,Microsoft已经为我们提供了SocketAsyncEventArgs类,它封装了IOCP使用。请参考:http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.net.sockets.socketasynceventargs.aspx?cs-save-lang=1&cs-lang=cpp#code-snippet-1。 2、我的SocketAsyncEventArgsPool类使用List对象来存储对客户端来通信的SocketAsyncEventArgs对象,它相当于直接使用内核对象时的IoContext。我这样设计比用堆栈来实现的好处理是,我可以在SocketAsyncEventArgsPool池中找到任何一个与服务器连接的客户,主动向它发信息。而用堆栈来实现的话,要主动给客户发信息,则还要设计一个结构来存储已连接上服务器的客户。 3、对每一个客户端不管还发送还是接收,我使用同一个SocketAsyncEventArgs对象,对每一个客户端来说,通信是同步进行的,也就是说服务器高度保证同一个客户连接上要么在投递发送请求,并等待;或者是在投递接收请求,等待中。本例只做echo服务器,还未考虑由服务器主动向客户发送信息。 4、SocketAsyncEventArgs的UserToken被直接设定为被接受的客户端Socket。 5、没有使用BufferManager 类,因为我在初始化时给每一个SocketAsyncEventArgsPool中的对象分配一个缓冲区,发送时使用Arrary.Copy来进行字符拷贝,不去改变缓冲区的位置,只改变使用的长度,因此在下次投递接收请求时恢复缓冲区长度就可以了!如果要主动给客户发信息的话,可以new一个SocketAsyncEventArgs对象,或者在初始化中建立几个来专门用于主动发送信息,因为这种需求一般是进行信息群发,建立一个对象可以用于很多次信息发送,总体来看,这种花销不大,还减去了字符拷贝和消耗。 6、测试结果:(在我的笔记本上时行的,我的本本是T420 I7 8G内存) 100客户 100,000(十万次)不间断的发送接收数据(发送和接收之间没有Sleep,就一个一循环,不断的发送与接收) 耗时3004.6325 秒完成 总共 10,000,000 一千万次访问 平均每分完成 199,691.6 次发送与接收 平均每秒完成 3,328.2 次发送与接收 整个运行过程中,内存消耗在开始两三分种后就保持稳定不再增涨。 看了一下对每个客户端的延迟最多不超过2秒。
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