深入 CSocket 编程之阻塞和非阻塞模式

最新推荐文章于 2024-12-02 10:38:37 发布

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#编程 #socket #server #网络 #sockets #microsoft

本文探讨了基于Csocket类的网络程序中，阻塞与非阻塞模式的工作原理及其区别。通过分析csocket类核心源码sockcore.cpp，详细介绍了这两种模式下socket的运行机制。

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适合初中级读者阅读

有时，花上几个小时阅读、调试、跟踪优秀的源码程序，能够更快地掌握某些技术关键点和精髓。当然，前提是对这些技术大致上有一个了解。

我通过几个采用 csocket 类编写并基于 client/server （客户端 / 服务端）的网络聊天和传输文件的程序 ( 详见： 源代码参考 ) ，在调试这些程序的过程中，追踪深入至 csocket 类核心源码 sockcore.cpp ，对于csocket 类的运行机制可谓是一览无遗，并且对于阻塞和非阻塞方式下的 socket 程序的编写也是稍有体会。

阅读本文请先注意 :

＆#8226; 这里的阻塞和非阻塞的概念仅适用于 server 端 socket 程序。

＆#8226; socket 意为套接字，它与 socket 不同，请注意首字母的大小写。

说明：客户端与服务端的通信简单来讲：服务端 socket 负责监听，应答，接收和发送消息，而客户端 socket 只是连接，应答，接收，发送消息。此外，如果你对于采用 csocket 类编写 client/server 网络程序的原理不是很了解，请先查询一下（ 详见：参考书籍和在线帮助 ）。

在此之前，有必要先讲述一下：网络传输服务提供者， ws2_32.dll ， socket 事件和 socket window 。

1. 网络传输服务提供者（网络传输服务进程）， socket 事件， socket window

网络传输服务提供者（ transport service provider ）是以 dll 的形式存在的，在 windows 操作系统启动时由服务进程 svchost.exe 加载。当 socket 被创建时，调用 api 函数 socket （在 ws2_32.dll 中）， socket 函数会传递三个参数 : 地址族，套接字类型 ( 注 2 ) 和协议，这三个参数决定了是由哪一个类型的网络传输服务提供者来启动网络传输服务功能。所有的网络通信正是由网络传输服务提供者完成 , 这里将网络传输服务提供者称为网络传输服务进程更有助于理解，因为前文已提到网络传输服务提供者是由 svchost.exe 服务进程所加载的。

下图描述了网络应用程序、 csocket （ wsock32.dll ）、 socket api(ws2_32.dll) 和网络传输服务进程之间的接口层次关系：

hspace=0

当 client 端 socket 与 server 端 socket 相互通信时，两端均会触发 socket 事件 :

这里仅简要说明两个 socket 事件：

fd_connect: 连接事件 , 通常 client 端 socket 调用 socket api 函数 connect 时所触发，这个事件发生在 client 端。

fd_accept ：正在引入的连接事件，通常 server 端 socket 正在接收来自 client 端 socket 连接时触发，这个事件发生在 server 端。

网络传输服务进程将 socket 事件保存至 socket 的事件队列中。

此外，网络传输服务进程还会向 socket window 发送消息 wm_socket_notify , 通知有 socket 事件产生，见下文对 socket window 的详细说明：

调用 csocket::create 函数后， socket 被创建。 socket 创建过程中调用 casyncsocket::attachhandle(socket hsocket, casyncsocket* psocket, bool bdead) 。该函数的作用是：

a. 将 socket 实例句柄和 socket 指针添加至当前模块状态（ 注 1 ）的一个映射表变量 m_pmapsockethandle 中。

b. 在 attachhandle 过程中，会 new 一个 csocketwnd 实例 ( 基于 cwnd 派生 ) ，这里将这个实例称之为 socket window ，进一步理解为它是存放所有 sockets 的消息池（ window 消息），请仔细查看，这里 socket 后多加了一个 s ，表示创建的多个 socket 将共享一个消息池。

c. 当 client 端 socket 与 server 端相互通信时 , 此时网络传输服务进程向 socket window 发送消息 wm_socket_notify ，需要说明的是 csocketwnd 窗口句柄保存在当前模块状态的 m_hsocketwindow 变量中。

2. 阻塞模式

阻塞模式下 server 端与 client 端之间的通信处于同步状态下。

在 server 端直接实例化 csocket 类，调用 create 方法创建 socket ，然后调用方法 listen 开始侦听，最后用一个 while 循环阻塞调用 accept 函数用于等待来自 client 端的连接，如果这个 socket 在主线程（主程序）中运行，这将导致主线程的阻塞。因此，需要创建一个新的线程以运行 socket 服务。

调试跟踪至 csocket::accept 函数源码：

while(!accept(...))
{
if (getlasterror() == wsaewouldblock) // the socket is marked as nonblocking and no connections are present to be accepted.
pumpmessage(fd_accept);
else
return false;
}

它不断调用 casyncsocket::accept （ csocket 派生自 casyncsocket 类）判断 server 端 socket 的事件队列中是否存在正在引入的连接事件 - fd_accept （见 1 ），换句话说，就是判断是否有来自 client 端 socket 的连接请求。

如果当前 server 端 socket 的事件队列中存在正在引入的连接事件， accept 返回一个非 0 值。否则， accept 返回 0 ，此时调用 getlasterror 将返回错误代码 wsaewouldblock ，表示队列中无任何连接请求。

注意到在循环体内有一句代码：

pumpmessage(fd_accept);

pumpmessage 作为一个消息泵使得 socket window 中的消息能够维持在活动状态。

实际跟踪进入 pumpmessage 中，发现这个消息泵与 accept 函数的调用并不相关，它只是使很少的 socket window 消息（典型的是 wm_paint 窗口重绘消息）处于活动状态，而绝大部分的 socket window 消息被阻塞，被阻塞的消息中含有 wm_socket_notify 。

很显然，如果没有来自 client 端 socket 的连接请求， csocket 就会不断调用 accept 产生循环阻塞，直到有来自 client 端 socket 的连接请求而解除阻塞。

阻塞解除后，表示 server 端 socket 和 client 端 socket 已成功连接， server 端与 client 端彼此相互调用 send 和 receive 方法开始通信。

3. 非阻塞模式

在非阻塞模式下利用 socket 事件的消息机制， server 端与 client 端之间的通信处于异步状态下。

通常需要从 csocket 类派生一个新类，派生新类的目的是重载 socket 事件的消息函数，然后在 socket 事件的消息函数中添入合适的代码以完成 client 端与 server 端之间的通信，与阻塞模式相比，非阻塞模式无需创建一个新线程。

这里将讨论当 server 端 socket 事件－ fd_accept 被触发后，该事件的处理函数 onaccept 是如何进一步被触发的。其它事件的处理函数如 onconnect, onreceive 等的触发方式与此类似。

在 1 中已提到 client/server 端通信时， server 端 socket 正在接收来自 client 端 socket 连接请求，这将会触发 fd_accept 事件，同时 server 端的网络传输服务进程向 server 端的 socket window (csocketwnd ）发送事件通知消息 wm_socket_notify , 通知有 fd_accept 事件产生 , csocketwnd 在收到事件通知消息后，调用消息处理函数 onsocketnotify:
lresult csocketwnd::onsocketnotify(wparam wparam, lparam lparam)
{
csocket::auxqueueadd(wm_socket_notify, wparam, lparam);
csocket::processauxqueue();
return 0l ;
}

消息参数 wparam 是 socket 的句柄， lparam 是 socket 事件。这里稍作解释一下， csocketwnd 类是作为 csocket 类的友元类，这意味着它可以访问 csocket 类中的保护和私有成员函数和变量， auxqueueadd 和 processauxqueue 是 csocket 类的静态成员函数，如果你对友元不熟悉，请迅速找本有关 c 书看一下友元的使用方法吧！
processauxqueue 是实质处理 socket 事件的函数，在该函数中有这样一句代码：

casyncsocket* psocket = casyncsocket::lookuphandle((socket)wparam, true);

其实也就是由 socket 句柄得到发送事件通知消息的 socket 指针 psocket ：从 m_pmapsockethandle 中查找（见 1 ）！

最后， wsagetselectevent(lparam) 会取出事件类型，在一个简单的 switch 语句中判断事件类型并调用事件处理函数。
在这里，事件类型是 fd_accept ，当然就调用 psocket->onaccept ！

本文的结束：

server 端 socket 处于阻塞调用模式下，它必须在一个新创建的线程中工作，防止主线程被阻塞。

当有多个 client 端 socket 与 server 端 socket 连接及通信时， server 端采用阻塞模式就显得不适合了，应该采用非阻塞模式 , 利用 socket 事件的消息机制来接受多个 client 端 socket 的连接请求并进行通信。

在非阻塞模式下，利用 csocketwnd 作为所有 sockets 的消息池，是实现 socket 事件的消息机制的关键技术。

文中存在用词不妥和可能存在的技术问题，请大家原谅，也请批评指正，谢谢！
注：

1. 当前模块状态

用于保存当前线程和模块状态的一个结构，可以通过 afxgetthreadmodule() 获得。 afx_module_thread_state 在 csocket 重新定义为 _afx_sock_thread_state 。

2. socket 类型

在 tcp/ip 协议中， client/server 网络程序采用 tcp 协议：即 socket 类型为 sock_stream ，它是可靠的连接方式。在这里不采用 udp 协议：即 socket 类型为 sock_dgram ，它是不可靠的连接方式。