C#高性能大容量SOCKET并发（四）：缓存设计

在编写服务端大并发的应用程序，需要非常注意缓存设计，缓存的设计是一个折衷的结果，需要通过并发测试反复验证。有很多服务程序是在启动时申请足够的内存空间，避免在运行期间再申请空间，这种是固定空间申请。还有一种是在运行期间动态增长的缓存设计，随着运行动态申请内存，这种事动态空间申请。这两种机制各有优劣，固定空间申请优点是效率高，运行稳定，缺点是对应用场景具有限制；动态空间申请优点是能适应更好的应用场景，缺点是效率相对低一些，并发数降一些；这种性能下降不是太明显，毕竟申请释放内存的效率NET是有优化的，具体需要根据应用场景设计。

在C#版IOCP中我们结合了固定缓存设计和动态缓存设计，其中服务端支持连接数使用了固定缓存设计（AsyncSocketUserTokenPool），根据程序启动时设置的最大连接数申请固定个数的对象。其中接收数据缓存（DynamicBufferManager m_receiveBuffer）、发送数据列表（AsyncSendBufferManager m_sendBuffer）是随着接收数据大小动态增长。

固定缓存设计

固定缓存设计我们需要建立一个列表进行，并在初始化的时候加入到列表中，实现非常简单，列出代码供参考。

    public class AsyncSocketUserTokenPool
    {
        private Stack<AsyncSocketUserToken> m_pool;

        public AsyncSocketUserTokenPool(int capacity)
        {
            m_pool = new Stack<AsyncSocketUserToken>(capacity);
        }

        public void Push(AsyncSocketUserToken item)
        {
            if (item == null)
            {
                throw new ArgumentException("Items added to a AsyncSocketUserToken cannot be null");
            }
            lock (m_pool)
            {
                m_pool.Push(item);
            }
        }

        public AsyncSocketUserToken Pop()
        {
            lock (m_pool)
            {
                return m_pool.Pop();
            }
        }

        public int Count
        {
            get { return m_pool.Count; }
        }
    }

初始化加入列表的代码如下：

        public void Init()
        {
            AsyncSocketUserToken userToken;
            for (int i = 0; i < m_numConnections; i++) //按照连接数建立读写对象
            {
                userToken = new AsyncSocketUserToken(m_receiveBufferSize);
                userToken.ReceiveEventArgs.Completed += new EventHandler<SocketAsyncEventArgs>(IO_Completed);
                userToken.SendEventArgs.Completed += new EventHandler<SocketAsyncEventArgs>(IO_Completed);
                m_asyncSocketUserTokenPool.Push(userToken);
            }
        }

动态缓存设计

动态缓存是随着数据量大小动态增长，申请的内存在运行过程中重复利用，不释放，这样对内存只进行读写，不进行申请和释放，整体性能较高，因为内存申请释放比读写的效率低很多，因为申请释放内存需要进行加锁，进行系统内核和用户切换，因此使用动态缓存可以降低内核和用户态切换，提高性能。动态缓存的代码如下：

public class DynamicBufferManager
    {
        public byte[] Buffer { get; set; } //存放内存的数组
        public int DataCount { get; set; } //写入数据大小

        public DynamicBufferManager(int bufferSize)
        {
            DataCount = 0;
            Buffer = new byte[bufferSize];
        }

        public int GetDataCount() //获得当前写入的字节数
        {
            return DataCount;
        }

        public int GetReserveCount() //获得剩余的字节数
        {
            return Buffer.Length - DataCount;
        }

        public void Clear(int count) //清理指定大小的数据
        {
            if (count >= DataCount) //如果需要清理的数据大于现有数据大小，则全部清理
            {
                DataCount = 0;
            }
            else
            {
                for (int i = 0; i < DataCount - count; i++) //否则后面的数据往前移
                {
                    Buffer[i] = Buffer[count + i];
                }
                DataCount = DataCount - count;
            }
        }

        public void WriteBuffer(byte[] buffer, int offset, int count)
        {
            if (GetReserveCount() >= count) //缓冲区空间够，不需要申请
            {
                Array.Copy(buffer, offset, Buffer, DataCount, count);
                DataCount = DataCount + count;
            }
            else //缓冲区空间不够，需要申请更大的内存，并进行移位
            {
                int totalSize = Buffer.Length + count - GetReserveCount(); //总大小-空余大小
                byte[] tmpBuffer = new byte[totalSize];
                Array.Copy(Buffer, 0, tmpBuffer, 0, DataCount); //复制以前的数据
                Array.Copy(buffer, offset, tmpBuffer, DataCount, count); //复制新写入的数据
                DataCount = DataCount + count;
                Buffer = tmpBuffer; //替换
            }
        }

        public void WriteBuffer(byte[] buffer)
        {
            WriteBuffer(buffer, 0, buffer.Length);
        }

        public void WriteShort(short value, bool convert)
        {
            if (convert)
            {
                value = System.Net.IPAddress.HostToNetworkOrder(value); //NET是小头结构，网络字节是大头结构，需要客户端和服务器约定好
            }
            byte[] tmpBuffer = BitConverter.GetBytes(value);
            WriteBuffer(tmpBuffer);
        }

        public void WriteInt(int value, bool convert)
        {
            if (convert)
            {
                value = System.Net.IPAddress.HostToNetworkOrder(value); //NET是小头结构，网络字节是大头结构，需要客户端和服务器约定好
            }            
            byte[] tmpBuffer = BitConverter.GetBytes(value);
            WriteBuffer(tmpBuffer);
        }

        public void WriteLong(long value, bool convert)
        {
            if (convert)
            {
                value = System.Net.IPAddress.HostToNetworkOrder(value); //NET是小头结构，网络字节是大头结构，需要客户端和服务器约定好
            }
            byte[] tmpBuffer = BitConverter.GetBytes(value);
            WriteBuffer(tmpBuffer);
        }

        public void WriteString(string value) //文本全部转成UTF8，UTF8兼容性好
        {
            byte[] tmpBuffer = Encoding.UTF8.GetBytes(value);
            WriteBuffer(tmpBuffer);
        }
    }

异步发送列表

异步发送列表是在动态缓存的基础上加了一个列表管理，记录每个包的位置信息，并提供管理函数，代码示例如下：

namespace SocketAsyncSvr
{
    struct SendBufferPacket
    {
        public int Offset;
        public int Count;
    }

    //由于是异步发送，有可能接收到两个命令，写入了两次返回，发送需要等待上一次回调才发下一次的响应
    public class AsyncSendBufferManager
    {
        private DynamicBufferManager m_dynamicBufferManager;
        public DynamicBufferManager DynamicBufferManager { get { return m_dynamicBufferManager; } }
        private List<SendBufferPacket> m_sendBufferList;
        private SendBufferPacket m_sendBufferPacket;

        public AsyncSendBufferManager(int bufferSize)
        {
            m_dynamicBufferManager = new DynamicBufferManager(bufferSize);
            m_sendBufferList = new List<SendBufferPacket>();
            m_sendBufferPacket.Offset = 0;
            m_sendBufferPacket.Count = 0;
        }

        public void StartPacket()
        {
            m_sendBufferPacket.Offset = m_dynamicBufferManager.DataCount;
            m_sendBufferPacket.Count = 0;
        }

        public void EndPacket()
        {
            m_sendBufferPacket.Count = m_dynamicBufferManager.DataCount - m_sendBufferPacket.Offset;
            m_sendBufferList.Add(m_sendBufferPacket);
        }

        public bool GetFirstPacket(ref int offset, ref int count)
        {
            if (m_sendBufferList.Count <= 0)
                return false;
            offset = m_sendBufferList[0].Offset;
            count = m_sendBufferList[0].Count;
            return true;
        }

        public bool ClearFirstPacket()
        {
            if (m_sendBufferList.Count <= 0)
                return false;
            int count = m_sendBufferList[0].Count;
            m_dynamicBufferManager.Clear(count);
            m_sendBufferList.RemoveAt(0);
            return true;
        }

        public void ClearPacket()
        {
            m_sendBufferList.Clear();
            m_dynamicBufferManager.Clear(m_dynamicBufferManager.DataCount);
        }
    }
}

DEMO下载地址： http://download.youkuaiyun.com/detail/sqldebug_fan/7467745
免责声明：此代码只是为了演示C#完成端口编程，仅用于学习和研究，切勿用于商业用途。水平有限，C#也属于初学，错误在所难免，欢迎指正和指导。邮箱地址：fansheng_hx@163.com。