WinSock2编程之打造完整的SOCKET池
在Winodows平臺上，網絡編程的主要接口就是WinSock，目前大多數的Windows平臺上的WinSock平臺已經升級到2.0版，簡稱為WinSock2。在WinSock2中擴展了很多很有用的Windows味很濃的SOCKET專用API，為Windows平臺用戶提供高性能的網絡編程支持。這些函數中的大多數已經不再是標準的“Berkeley”套接字模型的API了。使用這些函數的代價就是你不能再將你的網絡程序輕松的移植到“尤里平臺”（我給Unix +Linux平臺的簡稱）下，反過來因為Windows平臺支持標準的“Berkeley”套接字模型，所以你可以將大多數尤里平臺下的網絡應用移植到Windows平臺下。
如果不考慮可移植性（或者所謂的跨平臺性），而是著重于應用的性能時，尤其是注重服務器性能時，對于Windows的程序，都鼓勵使用WinSock2擴展的一些API，更鼓勵使用IOCP模型，因為這個模型是目前Windows平臺上比較完美的一個高性能IO編程模型，它不但適用于SOCKET編程，還適用于讀寫硬盤文件，讀寫和管理命名管道、郵槽等等。如果再結合Windows線程池，IOCP幾乎可以利用當今硬件所有可能的新特性（比如多核，DMA，高速總線等等），本身具有先天的擴展性和可用性。
今天討論的重點就是SOCKET池。很多VC程序員也許對SOCKET池很陌生，也有些可能很熟悉，那么這里就先討論下這個概念。
在Windows平臺上SOCKET實際上被視作一個內核對象的句柄，很多Windows API在支持傳統的HANDLE參數的同時也支持SOCKET，比如有名的CreateIoCompletionPort就支持將SOCKET句柄代替HANDLE參數傳入并調用。熟悉Windows內核原理的讀者，立刻就會發現，這樣的話，我們創建和銷毀一個SOCKET句柄，實際就是在系統內部創建了一個內核對象，對于Windows來說這牽扯到從Ring3層到Ring0層的耗時操作，再加上復雜的安全審核機制，實際創建和銷毀一個SOCKET內核對象的成本還是蠻高的。尤其對于一些面向連接的SOCKET應用，服務端往往要管理n多個代表客戶端通信的SOCKET對象，而且因為客戶的變動性，主要面臨的大量操作除了一般的收發數據，剩下的就是不斷創建和銷毀SOCKET句柄，對于一個頻繁接入和斷開的服務器應用來說，創建和銷毀SOCKET的性能代價立刻就會體現出來，典型的例如WEB服務器程序，就是一個需要頻繁創建和銷毀SOCKET句柄的SOCKET應用。這種情況下我們通常都希望對于斷開的SOCKET對象，不是簡單的“銷毀”了之（很多時候“斷開”的含義不一定就等價于“銷毀”，可以仔細思考一下），更多時候希望能夠重用這個SOCKET對象，這樣我們甚至可以事先創建一批SOCKET對象組成一個“池”，在需要的時候“重用”其中的SOCKET對象，不需要的時候將SOCKET對象重新丟入池中即可，這樣就省去了頻繁創建銷毀SOCKET對象的性能損失。在原始的“Berkeley”套接字模型中，想做到這點是沒有什么辦法的。而幸運的是在Windows平臺上，尤其是支持WinSock2的平臺上，已經提供了一套完整的API接口用于支持SOCKET池。
對于符合以上要求的SOCKET池，首先需要做到的就是對SOCKET句柄的“回收”，因為創建函數無論在那個平臺上都是現成的，而最早能夠實現這個功能的WinSock函數就是TransmitFile，如果代替closesocket函數像下面這樣調用就可以“回收”一個SOCKET句柄，而不是銷毀：（注意“回收”這個功能對于TransmitFile函數來說只是個“副業”。）
TransmitFile(hSocket,NULL,0,0,NULL,NULL,TF_DISCONNECT | TF_REUSE_SOCKET );
注意上面函數的最后一個參數，使用了標志TF_DISCONNECT和TF_REUSE_SOCKET，第一個值表示斷開，第二個值則明確的表示“重用”實際上也就是回收這個SOCKET，經過這個處理的SOCKET句柄，就可以直接再用于connect等操作，但是此時我們會發現，這個回收來的SOCKET似乎沒什么用，因為其他套接字函數沒法直接利用這個回收來的SOCKET句柄。
這時就要WinSock2的一組專用API上場了。我將它們按傳統意義上的服務端和客戶端分為兩組：
一、???????? 服務端：
SOCKET WSASocket(
? __in????????? int af,
? __in????????? int type,
? __in????????? int protocol,
? __in????????? LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
? __in???????? ?GROUP g,
? __in????????? DWORD dwFlags
);
BOOL AcceptEx(
? __in????????? SOCKET sListenSocket,
? __in????????? SOCKET sAcceptSocket,
? __in????????? PVOID lpOutputBuffer,
? __in????????? DWORD dwReceiveDataLength,
? __in????????? DWORD dwLocalAddressLength,
? __in????????? DWORD dwRemoteAddressLength,
? __out???????? LPDWORD lpdwBytesReceived,
? __in????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped
);
BOOL DisconnectEx(
? __in????????? SOCKET hSocket,
? __in????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped,
? __in????????? DWORD dwFlags,
? __in????????? DWORD reserved
);
二、???????? 客戶端：
SOCKET WSASocket(
? __in????????? int af,
? __in????????? int type,
? __in????????? int protocol,
? __in????????? LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
? __in????????? GROUP g,
? __in????????? DWORD dwFlags
);
BOOL PASCAL ConnectEx(
? __in????????? SOCKET s,
? __in????????? const struct sockaddr* name,
? __in????????? int namelen,
? __in_opt????? PVOID lpSendBuffer,
? __in????????? DWORD dwSendDataLength,
? __out???????? LPDWORD lpdwBytesSent,
? __in????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped
);
BOOL DisconnectEx(
? __in????????? SOCKET hSocket,
? __in????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped,
? __in????????? DWORD dwFlags,
? __in????????? DWORD reserved
);
注意觀察這些函數，似乎和傳統的“Berkeley”套接字模型中的一些函數“大同小異”，其實仔細觀察他們的參數，就已經可以發現一些調用他們的“玄機”了。
首先我們來看AcceptEx函數，與accept函數不同，它需要兩個SOCKET句柄作為參數，頭一個參數的含義與accept函數的相同，而第二個參數的意思就是accept函數返回的那個代表與客戶端通信的SOCKET句柄，在傳統的accept內部，實際在返回那個代表客戶端的SOCKET時，是在內部調用了一個SOCKET的創建動作，先創建這個SOCKET然后再“accept”讓它變成代表客戶端連接的SOCKET，而AcceptEx函數就在這里“擴展”（實際上是“閹割”才對）accept函數，省去了內部那個明顯的創建SOCKET的動作，而將這個創建動作交給最終的調用者自己來實現。AcceptEx要求調用者創建好那個sAcceptSocket句柄然后傳進去，這時我們立刻發現，我們回收的那個SOCKET是不是也可以傳入呢？答案是肯定的，我們就是可以利用這個函數傳入那個“回收”來的SOCKET句柄，最終實現服務端的SOCKET重用。
這里需要注意的就是，AcceptEx函數必須工作在非阻塞的IOCP模型下，同時即使AcceptEx函數返回了，也不代表客戶端連接進來或者連接成功了，我們必須依靠它的“完成通知”才能知道這個事實，這也是AcceptEx函數區別于accept這個阻塞方式函數的最大之處。通常可以利用AcceptEx的非阻塞特性和IOCP模型的優點，一次可以“預先”發出成千上萬個AcceptEx調用，“等待”客戶端的連接。對于習慣了accept阻塞方式的程序員來說，理解AcceptEx的工作方式還是需要費一些周折的。下面的例子就演示了如何一次調用多個AcceptEx：
//批量創建SOCKET，并調用對應的AcceptEx
for(UINT i = 0; i < 1000; i++)
{//調用1000次
//創建與客戶端通訊的SOCKET，注意SOCKET的創建方式
skAccept = ::WSASocket(AF_INET,
?????????????????? SOCK_STREAM,
?????????????????? IPPROTO_TCP,
?????????????????? NULL,
?????????????????? 0,
?????????????????? WSA_FLAG_OVERLAPPED);
if (INVALID_SOCKET == skAccept)
{
? ? throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
}
//創建一個自定義的OVERLAPPED擴展結構，使用IOCP方式調用
pAcceptOL = new CGRSOverlappedData(GRS_OP_ACCEPT
,this,skAccept,NULL);
pAddrBuf = pAcceptOL->GetAddrBuf();
//4、發出AcceptEx調用
//注意將AcceptEx函數接收連接數據緩沖的大小設定成了0，這將導致此函數立即返回，雖然與
//不設定成0的方式而言，這導致了一個較低下的效率，但是這樣提高了安全性，所以這種效率
//犧牲是必須的
if(!AcceptEx(m_skServer,
?????????????????? skAccept,
?????????????????? pAddrBuf->m_pBuf,
?????????????????? 0,//將接收緩沖置為0,令AcceptEx直接返回,防止拒絕服務攻擊
?????????????????? GRS_ADDRBUF_SIZE,
?????????????????? GRS_ADDRBUF_SIZE,
?????????????????? NULL,
?????????????????? (LPOVERLAPPED)pAcceptOL))
{
int iError = WSAGetLastError();
if( ERROR_IO_PENDING != iError
???? && WSAECONNRESET != iError )
{
???? if(INVALID_SOCKET != skAccept)
???? {
??????? ?::closesocket(skAccept);
??????? ?skAccept = INVALID_SOCKET;
???? }
? ?? if( NULL != pAcceptOL)
???? {
???????????? GRS_ISVALID(pAcceptOL,sizeof(CGRSOverlappedData));
delete pAcceptOL;
???? pAcceptOL = NULL;
???? }
? }
}
}
以上的例子只是簡單的演示了AcceptEx的調用，還沒有涉及到真正的“回收重用”這個主題，那么下面的例子就演示了如何重用一個SOCKET句柄：
if(INVALID_SOCKET == skClient)
{
throw CGRSException(_T("SOCKET句柄是無效的！"));
}
OnPreDisconnected(skClient,pUseData,0);
CGRSOverlappedData*pData
= new GRSOverlappedData(GRS_OP_DISCONNECTEX
,this,skClient,pUseData);
//回收而不是關閉后再創建大大提高了服務器的性能
DisconnectEx(skClient,&pData->m_ol,TF_REUSE_SOCKET,0);?
......
????? //在接收到DisconnectEx函數的完成通知之后，我們就可以重用這個SOCKET了
CGRSAddrbuf*pBuf = NULL;
pNewOL = new CGRSOverlappedData(GRS_OP_ACCEPT
,this,skClient,pUseData);
pBuf = pNewOL->GetAddrBuf();
//把這個回收的SOCKET重新丟進連接池
if(!AcceptEx(m_skServer,skClient,pBuf->m_pBuf,
???????????????? 0,//將接收緩沖置為0,令AcceptEx直接返回,防止拒絕服務攻擊
???????????????? GRS_ADDRBUF_SIZE, GRS_ADDRBUF_SIZE,
???????????????? NULL,(LPOVERLAPPED)pNewOL))
{
int iError = WSAGetLastError();
?? ?if( ERROR_IO_PENDING != iError
????? ? && WSAECONNRESET != iError )
?? ?{
?? ???? throw CGRSException((DWORD)iError);
?? ? }
}
//注意在這個SOCKET被重新利用后，重新與IOCP綁定一下，該操作會返回一個已設置的錯誤，這個錯誤直接被忽略即可
::BindIoCompletionCallback((HANDLE)skClient
,Server_IOCPThread, 0);
?
至此回收重用SOCKET的工作也就結束了，以上的過程實際理解了IOCP之后就比較好理解了，例子的最后我們使用了BindIoCompletionCallback函數重新將SOCKET丟進了IOCP線程池中，實際還可以再次使用CreateIoCompletionPort函數達到同樣的效果，這里列出這一步就是告訴大家，不要忘了再次綁定一下完成端口和SOCKET。
?? ?對于客戶端來說，可以使用ConnectEx函數來代替connect函數，與AcceptEx函數相同，ConnectEx函數也是以非阻塞的IOCP方式工作的，唯一要注意的就是在WSASocket調用之后，在ConnectEx之前要調用一下bind函數，將SOCKET提前綁定到一個本地地址端口上，當然回收重用之后，就無需再次綁定了，這也是ConnectEx較之connect函數高效的地方之一。
?? 與AcceptEx函數類似，也可以一次發出成千上萬個ConnectEx函數的調用，可以連接到不同的服務器，也可以連接到相同的服務器，連接到不同的服務器時，只需提供不同的sockaddr即可。
?? ?通過上面的例子和講解，大家應該對SOCKET池概念以及實際的應用有個大概的了解了，當然核心仍然是理解了IOCP模型，否則還是寸步難行。
在上面的例子中，回收SOCKET句柄主要使用了DisconnectEx函數，而不是之前介紹的TransmitFile函數，為什么呢？因為TransmitFile函數在一些情況下會造成死鎖，無法正常回收SOCKET，畢竟不是專業的回收重用SOCKET函數，我就遇到過好幾次死鎖，最后偶然的發現了DisconnectEx函數這個專用的回收函數，調用之后發現比TransmitFile專業多了，而且不管怎樣都不會死鎖。
最后需要補充的就是這幾個函數的調用方式，不能像傳統的SOCKET API那樣直接調用它們，而需要使用一種間接的方式來調用，尤其是AcceptEx和DisconnectEx函數，下面給出了一個例子類，用于演示如何動態載入這些函數并調用之：
class CGRSMsSockFun
{
public:
CGRSMsSockFun(SOCKET skTemp = INVALID_SOCKET)
{
???? if( INVALID_SOCKET != skTemp )
???? {
?????? LoadAllFun(skTemp);
???? ?}
}
public:
virtual ~CGRSMsSockFun(void)
{
}
protected:
BOOL LoadWSAFun(SOCKET& skTemp,GUID&funGuid,void*&pFun)
{
???? DWORD dwBytes = 0;
???? BOOL bRet = TRUE;
???? pFun = NULL;
???? BOOL bCreateSocket = FALSE;
???? try
???? {
?????? if(INVALID_SOCKET == skTemp)
?????? {
????????? skTemp = ::WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,
???????????? IPPROTO_TCP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
bCreateSocket = (skTemp != INVALID_SOCKET);
?????? }
if(INVALID_SOCKET == skTemp)
?????? {
????????? throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
?????? }
?????? if(SOCKET_ERROR == ::WSAIoctl(skTemp,
??????????????? SIO_GET_EXTENSION_FUNCTION_POINTER,
??????????????? &funGuid,sizeof(funGuid),
??????????????? &pFun,sizeof(pFun),&dwBytes,NULL,
??????????????? NULL))
?????? {
???????????? pFun = NULL;
???????????? throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
?????? }
? }
? catch(CGRSException& e)
? {
???? ?if(bCreateSocket)
???? ?{
?????? ?::closesocket(skTemp);
???? ?}
? }
? return NULL != pFun;
}
protected:
LPFN_ACCEPTEX m_pfnAcceptEx;
LPFN_CONNECTEX m_pfnConnectEx;
LPFN_DISCONNECTEX m_pfnDisconnectEx;
LPFN_GETACCEPTEXSOCKADDRS m_pfnGetAcceptExSockaddrs;
LPFN_TRANSMITFILE m_pfnTransmitfile;
LPFN_TRANSMITPACKETS m_pfnTransmitPackets;
LPFN_WSARECVMSG m_pfnWSARecvMsg;
protected:
BOOL LoadAcceptExFun(SOCKET &skTemp)
{
???? GUID GuidAcceptEx = WSAID_ACCEPTEX;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidAcceptEx
,(void*&)m_pfnAcceptEx);
}
BOOL LoadConnectExFun(SOCKET &skTemp)
{
???? GUID GuidAcceptEx = WSAID_CONNECTEX;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidAcceptEx
,(void*&)m_pfnConnectEx);
}
BOOL LoadDisconnectExFun(SOCKET&skTemp)
{
???? GUID GuidDisconnectEx = WSAID_DISCONNECTEX;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidDisconnectEx
,(void*&)m_pfnDisconnectEx);
}
BOOL LoadGetAcceptExSockaddrsFun(SOCKET &skTemp)
{
???? GUID GuidGetAcceptExSockaddrs
= WSAID_GETACCEPTEXSOCKADDRS;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidGetAcceptExSockaddrs
,(void*&)m_pfnGetAcceptExSockaddrs);
}
BOOL LoadTransmitFileFun(SOCKET&skTemp)
{
???? GUID GuidTransmitFile = WSAID_TRANSMITFILE;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitFile
,(void*&)m_pfnTransmitfile);
}
BOOL LoadTransmitPacketsFun(SOCKET&skTemp)
{
???? GUID GuidTransmitPackets = WSAID_TRANSMITPACKETS;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitPackets
,(void*&)m_pfnTransmitPackets);
}
BOOL LoadWSARecvMsgFun(SOCKET&skTemp)
{
???? GUID GuidTransmitPackets = WSAID_TRANSMITPACKETS;
???? return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitPackets
,(void*&)m_pfnWSARecvMsg);
}
public:
BOOL LoadAllFun(SOCKET skTemp)
{//注意這個地方的調用順序，是根據服務器的需要，并結合了表達式副作用
? //而特意安排的調用順序
? return (LoadAcceptExFun(skTemp) &&
???????????? LoadGetAcceptExSockaddrsFun(skTemp) &&
???????????? LoadTransmitFileFun(skTemp) &&
???????????? LoadTransmitPacketsFun(skTemp) &&
???????????? LoadDisconnectExFun(skTemp) &&
???????????? LoadConnectExFun(skTemp) &&
???????????? LoadWSARecvMsgFun(skTemp));
}
?
public:
GRS_FORCEINLINE BOOL AcceptEx (
????????? SOCKET sListenSocket,
????????? SOCKET sAcceptSocket,
????????? PVOID lpOutputBuffer,
????????? DWORD dwReceiveDataLength,
????????? DWORD dwLocalAddressLength,
????????? DWORD dwRemoteAddressLength,
????????? LPDWORD lpdwBytesReceived,
????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped
????????? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnAcceptEx);
???? return m_pfnAcceptEx(sListenSocket,
???????????? sAcceptSocket,lpOutputBuffer,
???????????? dwReceiveDataLength,dwLocalAddressLength,
???? ??????? dwRemoteAddressLength,lpdwBytesReceived,
???????????? lpOverlapped);
}
GRS_FORCEINLINE BOOL ConnectEx(
????????? SOCKET s,const struct sockaddr FAR *name,
????????? int namelen,PVOID lpSendBuffer,
????????? DWORD dwSendDataLength,LPDWORD lpdwBytesSent,
????????? LPOVERLAPPED lpOverlapped
????????? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnConnectEx);
???? return m_pfnConnectEx(
???????????? s,name,namelen,lpSendBuffer,
???????????? dwSendDataLength,lpdwBytesSent,
???????????? lpOverlapped
???????????? );
}
GRS_FORCEINLINE BOOL DisconnectEx(
????????? SOCKET s,LPOVERLAPPED lpOverlapped,
????????? DWORD? dwFlags,DWORD? dwReserved
????????? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnDisconnectEx);
???? return m_pfnDisconnectEx(s,
???????????? lpOverlapped,dwFlags,dwReserved);
}
GRS_FORCEINLINE VOID GetAcceptExSockaddrs (
????????? PVOID lpOutputBuffer,
????????? DWORD dwReceiveDataLength,
????????? DWORD dwLocalAddressLength,
????????? DWORD dwRemoteAddressLength,
????????? sockaddr **LocalSockaddr,
????????? LPINT LocalSockaddrLength,
????????? sockaddr **RemoteSockaddr,
????????? LPINT RemoteSockaddrLength
????????? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnGetAcceptExSockaddrs);
???? return m_pfnGetAcceptExSockaddrs(
????????? lpOutputBuffer,dwReceiveDataLength,
????????? dwLocalAddressLength,dwRemoteAddressLength,
????????? LocalSockaddr,LocalSockaddrLength,
????????? RemoteSockaddr,RemoteSockaddrLength
????????? );
}
GRS_FORCEINLINE BOOL TransmitFile(
???? SOCKET hSocket,HANDLE hFile,
???? DWORD nNumberOfBytesToWrite,
???? DWORD nNumberOfBytesPerSend,
???? LPOVERLAPPED lpOverlapped,
???? LPTRANSMIT_FILE_BUFFERS lpTransmitBuffers,
???? DWORD dwReserved
???? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnTransmitfile);
???? return m_pfnTransmitfile(
???????????? hSocket,hFile,nNumberOfBytesToWrite,
???????????? nNumberOfBytesPerSend,lpOverlapped,
???????????? lpTransmitBuffers,dwReserved
???????????? );
}
GRS_FORCEINLINE BOOL TransmitPackets(
???? SOCKET hSocket,????????????????????????????
???? LPTRANSMIT_PACKETS_ELEMENT lpPacketArray,???????????????????? ??????????
???? DWORD nElementCount,DWORD nSendSize,???????????????
???? LPOVERLAPPED lpOverlapped,DWORD dwFlags??????????????????????????????
???? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnTransmitPackets);
???? return m_pfnTransmitPackets(
???????????? hSocket,lpPacketArray,nElementCount,
nSendSize,lpOverlapped,dwFlags
???????????? );
}
GRS_FORCEINLINE INT WSARecvMsg(
????????? SOCKET s,LPWSAMSG lpMsg,
????????? LPDWORD lpdwNumberOfBytesRecvd,
????????? LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
????????? LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
????????? )
{
???? GRS_ASSERT(NULL != m_pfnWSARecvMsg);
???? return m_pfnWSARecvMsg(
???????????? s,lpMsg,lpdwNumberOfBytesRecvd,
???????????? lpOverlapped,lpCompletionRoutine
???????????? );
}
/*WSAID_ACCEPTEX
? WSAID_CONNECTEX
? WSAID_DISCONNECTEX
? WSAID_GETACCEPTEXSOCKADDRS
? WSAID_TRANSMITFILE
? WSAID_TRANSMITPACKETS
? WSAID_WSARECVMSG
? WSAID_WSASENDMSG */
};
這個類的使用非常簡單，只需要聲明一個類的對象，然后調用其成員AcceptEx、DisconnectEx函數等即可，參數與這些函數的MSDN聲明方式完全相同，除了本文中介紹的這些函數外，這個類還包含了很多其他的Winsock2函數，那么都應該按照這個類中演示的這樣來動態載入后再行調用，如果無法載入通常說明你的環境中沒有Winsock2函數庫，或者是你初始化的不是2.0版的Winsock環境。
這個類是本人完整類庫的一部分，如要使用需要自行修改一些地方，如果不知如何修改或遇到什么問題，可以直接跟帖說明，我會不定期回答大家的問題，這個類可以免費使用、分發、修改，可以用于任何商業目的，但是對于使用后引起的任何問題，本人概不負責，有問題請跟帖。關于AcceptEx以及其他一些函數，包括本文中沒有介紹到得函數，我會在后續的一些專題文章中進行詳細深入的介紹，敬請期待。如果你有什么疑問，或者想要了解什么也請跟帖說明，我會在后面的文章中盡量說明。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的WinSock2编程之打造完整的SOCKET池的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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