本文详细介绍了基于C#实现的多线程异步Socket数据包接收器框架，包括核心线程设计、类结构、关键函数实现以及系统稳定性测试。文中特别强调了在互联网环境下Socket应用的容错能力，并提供了优化代码和服务器的建议。
转载自Csdn : http://blog.youkuaiyun.com/jubao_liang/article/details/4005438
几天前在博问中看到一个C# Socket问题，就想到笔者2004年做的一个省级交通流量接收服务器项目，当时的基本求如下：
- 接收自动观测设备通过无线网卡、Internet和Socket上报的交通量数据包
- 全年365*24运行的自动观测设备5分钟上报一次观测数据，每笔记录约2K大小
- 规划全省将有100个左右的自动观测设备(截止2008年10月还只有30个)
当时，VS2003才发布年多，笔者也是接触C#不久。于是Google了国内国外网，希望找点应用C#解决Socket通信问题的思路和代码。最后，找 到了两篇帮助最大的文章：一篇是国人写的Socket接收器框架，应用了独立的客户端Socket会话(Session)概念，给笔者提供了一个接收服务 器的总体框架思路；另一篇是美国人写的，提出了多线程、分段接收数据包的技术方案，描述了多线程、异步Socket的许多实现细节，该文坚定了笔者采用多 线程和异步方式处理Socket接收器的技术路线。
具体实现和测试时笔者还发现，在Internet环境下的Socket应用中，需要系统有极强的容错能力：没有办法控制异常，就必须允许它们存在(附加源 代码中可以看到，try{}catch{}语句较多)。对此，笔者设计了一个专门的检查和清理线程，完成无效或超时会话的清除和资源释放工作。
依稀记得，国内框架作者的名称空间有ibm，认为是IBM公司职员，通过邮件后才知道其人在深圳。笔者向他请教了几个问题，相互探讨了几个技术关键点。可 惜，现在再去找，已经查不到原文和邮件了。只好借此机会，将本文献给这两个素未谋面的技术高人和同行，也盼望拙文或源码能给读者一点有用的启发和帮助。
1、主要技术思路
整个系统由三个核心线程组成，并由.NET线程池统一管理：
- 侦听客户端连接请求线程：ListenClientRequest()，循环侦听客户端 连接请求。如果有，检测该客户端IP，看是否是同一观测设备，然后建立一个客户端TSession对象，并通过Socket异步调用方法 BeginReceive()接收数据包、EndReceive()处理数据包
- 数据包处理线程：HandleDatagrams()，循环检测数据包队列_datagramQueue，完成数据包解析、判断类型、存储等工作
- 客户端状态检测线程：CheckClientState()，循环检查客户端会话表_sessionTable，判断会话对象是否有效，设置超时会话关闭标志，清楚无效会话对象及释放其资源
2、主要类简介
系统主要由3个类组成：
- TDatagramReceiver(数据包接收服务器)：系统的核心进程类，建立Socket连接、处理与存储数据包、清理系统资源，该类提供全部的public属性和方法
- TSession(客户端会话)：由每个客户端的Socket对象组成，有自己的数据缓冲区，清理线程根据该对象的最近会话时间判断是否超时
- TDatagram(数据包类)：判断数据包类别、解析数据包
3、关键函数和代码
下面简介核心类TDatagramReceiver的关键实现代码。
3.1 系统启动
系统启动方法StartReceiver()首先清理资源、创建数据库连接、初始化若干计数值，然后创建服务器端侦听Socket对象，最后调用静态方法ThreadPool.QueueUserWorkItem()在线程池中创建3个核心处理线程。
{try
{
_stopReceiver = true;this.Close();if (!this.ConnectDatabase()) return false;
_clientCount = 0;
_datagramQueueCount = 0;
_datagramCount = 0;
_errorDatagramCount = 0;
_exceptionCount = 0;
_sessionTable = new Hashtable(_maxAllowClientCount);
_datagramQueue = new Queue<TDatagram>(_maxAllowDatagramQueueCount);
_stopReceiver = false; // 循环中均要该标志if (!this.CreateReceiverSocket()) //建立服务器端 Socket 对象 {return false;
}// 侦听客户端连接请求线程, 使用委托推断, 不建 CallBack 对象 if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(ListenClientRequest))
{return false;
}// 处理数据包队列线程 if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(HandleDatagrams))
{return false;
}// 检查客户会话状态, 长时间未通信则清除该对象 if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(CheckClientState))
{return false;
}
_stopConnectRequest = false; // 启动接收器，则自动允许连接 }catch
{this.OnReceiverException();
_stopReceiver = true;
}return !_stopReceiver;
}
下面是创建侦听Socket对象的方法代码。
{try
{
_receiverSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
_receiverSocket.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Any, _tcpSocketPort)); // 绑定端口 _receiverSocket.Listen(_maxAllowListenQueueLength); // 开始监听return true;
}catch
{this.OnReceiverException();return false;
}
}
3.2 侦听客户端连接请求
服务器端循环等待客户端连接请求。一旦有请求，先判断客户端连接数是否超限，接着检测该客户端IP地址，一切正常后建立TSession对象，并调用异步方法接收客户端Socket数据包。
代码中，Socket读到数据时的回调AsyncCallback委托方法EndReceiveData()完成数据接收工作，正常情况下启动另一个异步BeginReceive()调用。
.NET中，每个异步方法都有自己的独立线程，异步处理其实也基于多线程机制的。下面代码中的异步套异步调用，既占用较大的系统资源，也给处理带来意想不到的结果，更是出现异常时难以控制和处理的关键所在。
{
Socket client = null;while (!_stopReceiver)
{if (_stopConnectRequest) // 停止客户端连接请求 {if (_receiverSocket != null)
{try
{
_receiverSocket.Close(); // 强制关闭接收器 }catch
{this.OnReceiverException();
}finally
{// 必须为 null，否则 disposed 对象仍然存在，将引发下面的错误 _receiverSocket = null;
}
}continue;
}else
{if (_receiverSocket == null)
{if (!this.CreateReceiverSocket())
{continue;
}
}
}try
{if (_receiverSocket.Poll(_loopWaitTime, SelectMode.SelectRead))
{// 频繁关闭、启动时，这里容易产生错误(提示套接字只能有一个) client = _receiverSocket.Accept();if (client != null && client.Connected)
{if (this._clientCount >= this._maxAllowClientCount)
{this.OnReceiverException();try
{
client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
client.Close();
}catch { }
}else if (CheckSameClientIP(client)) // 已存在该 IP 地址 {try
{
client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
client.Close();
}catch { }
}else
{
TSession session = new TSession(client);
session.LoginTime = DateTime.Now;lock (_sessionTable)
{int preSessionID = session.ID;while (true)
{if (_sessionTable.ContainsKey(session.ID)) // 有可能重复该编号 {
session.ID = 100000 + preSessionID;
}else
{break;
}
}
_sessionTable.Add(session.ID, session); // 登记该会话客户端 Interlocked.Increment(ref _clientCount);
}this.OnClientRequest();try // 客户端连续连接或连接后立即断开，易在该处产生错误，系统忽略之 {// 开始接受来自该客户端的数据 session.ClientSocket.BeginReceive(session.ReceiveBuffer, 0,
session.ReceiveBufferLength, SocketFlags.None, EndReceiveData, session);
}catch
{
session.DisconnectType = TDisconnectType.Exception;
session.State = TSessionState.NoReply;
}
}
}else if (client != null) // 非空，但没有连接(connected is false) {try
{
client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
client.Close();
}catch { }
}
}
}catch
{this.OnReceiverException();if (client != null)
{try
{
client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
client.Close();
}catch { }
}
}// 该处可以适当暂停若干毫秒 }// 该处可以适当暂停若干毫秒}
3.3 处理数据包
该线程循环查看数据包队列，完成数据包的解析与存储等工作。具体实现时，如果队列中没有数据包，可以考虑等待若干毫秒，提高CPU利用率。
{while (!_stopReceiver)
{this.HandleOneDatagram(); // 处理一个数据包if (!_stopReceiver)
{// 如果连接关闭，则重新建立，可容许几个连接错误出现 if (_sqlConnection.State == ConnectionState.Closed)
{this.OnReceiverWork();try
{
_sqlConnection.Open();
}catch
{this.OnReceiverException();
}
}
}
}
}/// <summary>/// 处理一个包数据，包括：验证、存储/// </summary>private void HandleOneDatagram()
{
TDatagram datagram = null;lock (_datagramQueue)
{if (_datagramQueue.Count > 0)
{
datagram = _datagramQueue.Dequeue(); // 取队列数据 Interlocked.Decrement(ref _datagramQueueCount);
}
}if (datagram == null) return;
datagram.Clear();
datagram = null; // 释放对象}
3.4 检查与清理会话
本线程负责处理建立连接后的客户端会话TSession或Socket对象的关闭与资源清理工作，其它方法中出现异常等情况，尽可能标记相关TSession对象的属性NoReply=true，表示该会话已经无效、需要清理。
检查会话队列并清理资源分3步：第一步，Shutdown()客户端Socket，此时可能立即触发某些Socket的异步方法 EndReceive()；第二步，Close()客户端Socket，释放占用资源；第三步，从会话表中清除该会话对象。其中，第一步完成后，某个 TSession也许不会立即到第二步，因为可能需要处理其异步结束方法。
需要指出， 由于涉及多线程处理，需要频繁加解锁操作，清理工作前先建立一个会话队列列副本sessionTable2，检查与清理该队副本列列的TSession对象。
{while (!_stopReceiver)
{
DateTime thisTime = DateTime.Now;// 建立一个副本 ，然后对副本进行操作 Hashtable sessionTable2 = new Hashtable();lock (_sessionTable)
{foreach (TSession session in _sessionTable.Values)
{if (session != null)
{
sessionTable2.Add(session.ID, session);
}
}
}foreach (TSession session in sessionTable2.Values) // 对副本进行操作 {
Monitor.Enter(session);try
{if (session.State == TSessionState.NoReply) // 分三步清除一个 Session {
session.State = TSessionState.Closing;if (session.ClientSocket != null)
{try
{// 第一步：shutdown session.ClientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
}catch { }
}
}else if (session.State == TSessionState.Closing)
{
session.State = TSessionState.Closed;if (session.ClientSocket != null)
{try
{// 第二步： Close session.ClientSocket.Close();
}catch { }
}
}else if (session.State == TSessionState.Closed)
{lock (_sessionTable)
{// 第三步：remove from table _sessionTable.Remove(session.ID);
Interlocked.Decrement(ref _clientCount);
}this.OnClientRequest();
session.Clear(); // 清空缓冲区 }else if (session.State == TSessionState.Normal) // 正常的会话 {
TimeSpan ts = thisTime.Subtract(session.LastDataReceivedTime);if (Math.Abs(ts.TotalSeconds) > _maxSocketDataTimeout) // 超时，则准备断开连接 {
session.DisconnectType = TDisconnectType.Timeout;
session.State = TSessionState.NoReply; // 标记为将关闭、准备断开 }
}
}finally
{
Monitor.Exit(session);
}
} // end foreach
sessionTable2.Clear();
} // end while}
4 、结语
基于多线程处理的系统代价是比较大的，需要经常调用加/解锁方法lock()或Monitor.Enter()，需要经常创建处理线程等。从实际运行效果 看，笔者的实现方案有较好的稳定性：2005年4月到5月间，在一个普通PC机器上连续运行30多天不出一点故障。同时，笔者采用了时序区间判重等算法， 有效地提高了系统处理与响应速度。测试表明，在普通的PC机器(P4 2.0)上，可以做到0.5秒处理一个数据包，如果优化代码和服务器，还有较大的性能提升空间。
上面的代码是笔者实现的省级公路交通流量数据服务中心(DSC)项目中的接收服务器框架部分，整个系统还包括：数据转发交通部的转发服务器、数据远程查询客户端、综合报表数据处理系统、数据在线发布系统、系统运行监控系统等。
实际的接收服务器类及其辅助类超过3K行，整个系统则超过了60K。因为是早期实现的程序，难免有代码粗糙、方法欠妥的感觉，只有留待下个版本完善扩充 了。由于与甲方有保密合同和版权保护等，不可能公开全部源代码，删减也有不当之处，读者发现时请不吝指正。下面是带详细注释的代码下载URL。
附注：笔者补充了有关数据包界限、间断、重叠等内容，请参考指正。
国庆假日的最后一天，用近9个小时写完了C# 实现的多线程异步Socket数据包接收器框架(包括删减代码的时间)。饭后散步回来再看，好家伙，有300多个Page Views了，超过笔者在codeproject上首日前几个小时的PV速度了。呵呵，如果发表在笔者原博客网上，估计就是自己反反复复修改记录的数十个PV了！终究是彼网牛人高手太多。
散步时仔细想想该文，发觉有三个Socket通信中关键与著名的问题没有讲到或没有讲清楚：
- 数据包界限符问题。根据原项目中交通部标准，在连续观测站中数据包中，使用<>两个字符表示有效数据包开始和结束。实际项目有各自的具体技术规范
- 数据包不连续问题。在TCP/IP等通信中，由于时延等原因，一个数据包被Socket做两次或多次接收，此时在接收第一个包后，必须保存到TSession的DatagramBuffer中，在以后一并处理
- 包并发与重叠问题。由于客户端发送过快或设备故障等原因，一次接收到一个半、两个或多个包文。此时，也需要处理、一个半、两个或多个包
先补充异步BeginReceive()回调函数EndReceiveData()中的数据包分合函数ResolveBuffer()。
{// 上次留下的报文缓冲区非空(注意：必然含有开始字符 <，空时不含 <) bool hasBeginChar = (session.DatagramBufferLength > 0); int packPos = 0; // ReceiveBuffer 缓冲区中包的开始位置 int packLen = 0; // 已经解析的接收缓冲区大小byte dataByte = 0; // 缓冲区字节 int subIndex = 0; // 缓冲区下标while (subIndex < receivedSize)
{// 接收缓冲区数据，要与报文缓冲区 session.DatagramBuffer 同时考虑 dataByte = session.ReceiveBuffer[subIndex];if (dataByte == TDatagram.BeginChar) // 是数据包的开始字符<，则前面的包文均要放弃 {// <前面有非空串(包括报文缓冲区)，则前面是错包文，防止 AAA<A,1,A> 两个报文一次读现象 if (packLen > 0)
{
Interlocked.Increment(ref _datagramCount); // 前面有非空字符 Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount); // 一个错误包 this.OnDatagramError();
}
session.ClearDatagramBuffer(); // 清空会话缓冲区，开始一个新包
packPos = subIndex; // 新包起点，即<所在位置 packLen = 1; // 新包的长度(即<) hasBeginChar = true; // 新包有开始字符 } else if (dataByte == TDatagram.EndChar) // 数据包的结束字符 > {if (hasBeginChar) // 两个缓冲区中有开始字符< {++packLen; // 长度包括结束字符>// >前面的为正确格式的包，则分析该包，并准备加入包队列 AnalyzeOneDatagram(session, packPos, packLen);
packPos = subIndex + 1; // 新包起点。注意：subIndex 在循环最后处 + 1 packLen = 0; // 新包长度 }else // >前面没有开始字符，则认为结束字符>为一般字符，待后续的错误包处理 {++packLen; // hasBeginChar = false; }
}else // 非界限字符<>，就是是一般字符，长度 + 1，待解析包处理 {++packLen;
}++subIndex; // 增加下标号 } // end whileif (packLen > 0) // 剩下的待处理串，分两种情况 {// 剩下包文，已经包含首字符且不超长，转存到包文缓冲区中，待下次处理 if (hasBeginChar && packLen + session.DatagramBufferLength <= _maxDatagramSize)
{
session.CopyToDatagramBuffer(packPos, packLen);
}else // 不含首字符，或超长 {
Interlocked.Increment(ref _datagramCount);
Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount);this.OnDatagramError();
session.ClearDatagramBuffer(); // 丢弃全部数据 }
}
}
分析包文AnalyzeOneDatagram()函数代码补充如下：
>
{if (packLen + session.DatagramBufferLength > _maxDatagramSize) // 超过长度限制 {
Interlocked.Increment(ref _datagramCount);
Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount);this.OnDatagramError();
}else // 一个首尾字符相符的包，此时需要判断其类型 {
Interlocked.Increment(ref _datagramCount);
TDatagram datagram = new TDatagram();if (!datagram.CheckDatagramKind()) // 包格式错误(只能是短期BG、或长期SG包) {
Interlocked.Increment(ref _datagramCount);
Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount);this.OnDatagramError();
datagram = null; // 丢弃当前包 }else // 实时包、定期包，先解析数据，判断正误，并发回确认包 {
datagram.ResolveDatagram();if (true) // 正确的包才入包队列 {
Interlocked.Increment(ref _datagramQueueCount);lock (_datagramQueue)
{
_datagramQueue.Enqueue(datagram); // 数据包入队列 }
}else
{
Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount);this.OnDatagramError();
}
}
}
session.ClearDatagramBuffer(); // 清包文缓冲区}
TSession的拷贝转存数据包文的方法CopyToDatagramBuffer()代码如下：
{int datagramLen = 0;if (DatagramBuffer != null) datagramLen = DatagramBuffer.Length;// 调整长度(DataBuffer 为 null 不会出错) Array.Resize(ref DatagramBuffer, datagramLen + packLen);// 拷贝到数据就缓冲区 Array.Copy(ReceiveBuffer, startPos, DatagramBuffer, datagramLen, packLen);
}
代码中注释比较详细了，下面指出其思路：
- 使用TSession会话对象的字节数组ReceiveBuffer保存BeginReceiver()接收到的数据，使用 字节数组DatagramBuffer保存一次接收后分解或合并的剩下的包文。本项目中，由于是5分钟一个包，正常情况下不需要用到 DatagramBuffer数组
- 处理ReceiveBuffer中的字节数据包时，先考虑DatagramBuffer是否有开始字符<。如果有，则当前包文是前个包文的补充，否则前个包文是错误的。正确的包文可能存在于两个缓冲区中，见分析函数AnalyzeOneDatagram()
- 分析完接收数据包后，剩下的转存到DatagramBuffer中，见函数CopyToDatagramBuffer()
设计时考虑的另一个重要问题就是处理速度。如果自动观测站达到100个，此时5*60=300秒钟就有100个包，即每3秒种一个包，不存在处理速度慢问 题。但是，真正耗时的是判断包是否重复！特别地，当设备故障时存在混乱上传数据包现象，此时将存在大量的重复包。笔者采用了所谓的区间判重算法，较好地解 决了判重速度问题，使得系统具有很好的可伸缩性(分析算法的论文被EI核心版收录，呵呵，意外收获)。事实上，前年的交通部接收服务器还不具备该项功能， 可能是太费时间了。
还有，就是在.NET Framework的托管CLR下，系统本身的响应速度如何？当时的确没有把握，认为只要稳定性和速度满足要求就行了。三年半运行情况表明，系统有良好的处理速度、很好的稳定性、满足了部省要求。
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