Windows网络通信(二)：socket异步编程

简述

这里使用的API和同步编程的API是差不多的，只多了一个ioctlsocket和select函数。这里面涉及一个很重要的结构体fd_set。这里用到的API大部分都是windows和linux通用的。

1. ioctlsocket控制socket的IO模型

int ioctlsocket(
  _In_    SOCKET s,
  _In_    long   cmd,
  _Inout_ u_long *argp
);

s:需要设置的socket

cmd:想要对socket执行的命令，异步编程需要FIONBIO命令

argp:执行命令的参数，FIONBIO的参数如果为0表示阻塞模式，非0表示非阻塞模式

2. select获取一个或多个套接字的状态(可读可写或其他状态)

int select(
  _In_    int                  nfds,
  _Inout_ fd_set               *readfds,
  _Inout_ fd_set               *writefds,
  _Inout_ fd_set               *exceptfds,
  _In_    const struct timeval *timeout
);

nfds:无用

readfds:一个fd_set，表示哪些套接字需要判断是否”可读”状态，其中”可读”状态可以是accept，recv或者套接字已经关闭，重置，中断。

writefds:一个fd_set，表示哪些套接字需要判断是否”可写”状态，其中”可写”状态可以是connect成功，send。一般来说send是会立刻返回的，但是当send缓存区被装满了，数据无法放入时就会导致send函数阻塞，异步模式下可以用select判断缓存区是否有空间。

exceptfds:一个fd_set，表示哪些套接字需要判断是否”异常”状态，其中”异常”状态一般是connect失败。

timeout:等待的超时时间，select会等待timeout毫秒，NULL表示无限等待

成功返回所有fd_set响应的套接字数目，错误发生返回SOCKET_ERROR，超时返回0.

3. fd_set就是一个简单的结构体，内部有一个socket数组和一个数组成员个数。

typedef struct fd_set {
        u_int fd_count;               /* how many are SET? */
        SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */
} fd_set;

可以使用如下宏操作fd_set

FD_CLR(fd, set):从fd_set中删除指定的socket

FD_SET(fd, set):从fd_set中添加指定的socket

FD_ZERO(set):清空fd_set

FD_ISSET(fd, set):判断指定socket是否在fd_set中

异步通信示例

下面是异步通信服务端的代码，用于回发客户端发过来的消息，单线程中处理多个客户端的通信。

#include <winsock2.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

#define IP "127.0.0.1"
#define DEFAULT_PORT 12345

#define Print_ErrCode(e) fprintf(stderr,"
[Server]%s 执行失败: %d
",e,WSAGetLastError())
#define DEFAULT_BACKLOG 5
#define MAX_IO_PEND 10
int curr_size = 0; //当前的句柄数
#define OP_READ 0x10
#define OP_WRITE 0x20

//定义结构体用于储存通信信息
typedef struct _socklist
{
    SOCKET sock;
    DWORD Op;
    char name[100];
    char Buffer[128];
    int  bufLen;
} Socklist;

int main(int argc, char **argv)
{
    int nStartup = 0;
    struct sockaddr_in clientService;
    WSADATA wsaData;
    SOCKET sockListen = INVALID_SOCKET;
    int nRet = 0;
    //保存所有的客户端、服务端的SOCKET信息
    if (0 != (nStartup = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)))
    {
        WSASetLastError(nStartup); //WSAStartup不会自动设置错误代码
        Print_ErrCode("WSAStartup()");
        return 1;
    }
    clientService.sin_family = AF_INET;
    clientService.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
    clientService.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);

    if (INVALID_SOCKET == 
        (sockListen = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP))
        )
    {
        Print_ErrCode("socket()");
        return 1;
    }
    u_long type = 1;
    ioctlsocket(sockListen, FIONBIO, &type);

    if (SOCKET_ERROR == bind(sockListen,
                             (SOCKADDR *)&clientService,
                             sizeof(clientService)
                            ))
    {
        Print_ErrCode("bind()");
        closesocket(sockListen);
        return 1;
    }

    if (SOCKET_ERROR == listen(sockListen, DEFAULT_BACKLOG))
    {
        Print_ErrCode("listen()");
        closesocket(sockListen);
    }
    printf("[Server]监听 %s:%d
", IP, DEFAULT_PORT);
    
    //存放所有的socket，包括用于accept的socket。
    Socklist sockList[10];
    //将监听socket设为socklist第一个元素
    sockList[0].sock = sockListen;
    curr_size = 1;

    // 一个大循环，不断的接收客户端请求
    while(true)
    {
        //循环判断是否有请求需要处理
        fd_set fdRead, fdWrite;
        while (true)
        {
            FD_ZERO(&fdRead);
            FD_ZERO(&fdWrite);
            FD_SET(sockList[0].sock, &fdRead);
            for (int i = 1; i < curr_size; i++)
            {
                //对需要send的客户端连接select
                if (sockList[i].Op == OP_WRITE)
                {
                    FD_SET(sockList[i].sock, &fdWrite);
                }
                //对所有的客户端连接select
                FD_SET(sockList[i].sock, &fdRead);
            }
            //这个操作会被阻塞
            nRet = select(0, &fdRead, &fdWrite, NULL, NULL);
            if (FD_ISSET(sockList[0].sock, &fdRead))
            {
                //第0个socket可用了，这时accept一定会立刻返回成功或失败 这里需要处理最大连接数
                SOCKET sockNewClient = accept(sockListen,NULL,NULL);
                sockList[curr_size].sock = sockNewClient;
                sockList[curr_size++].Op = OP_READ;
                break;
            }
            //其他socket可用了，判断哪些能读，哪些能写
            if (fdRead.fd_count > 0)
            {
                for (int i = 1; i < curr_size; i++)
                {
                    if (FD_ISSET(sockList[i].sock, &fdRead))
                    {
                        //开始recv
                        nRet = recv(sockList[i].sock, sockList[i].Buffer, 127, 0);
                        if (nRet == SOCKET_ERROR)
                        {
                            closesocket(sockList[i].sock);
                            //移除sockList
                            for (int j = i; j < curr_size-1; j++)
                            {
                                sockList[i].sock = sockList[i + 1].sock;
                            }
                            curr_size--;
                        }
                        else
                        {
                            sockList[i].Buffer[nRet] = '';
                            sockList[i].bufLen = nRet;
                            sockList[i].Op = OP_WRITE;
                            printf("[Server]接收到:%s
", sockList[i].Buffer);
                        }
                    }
                }
            }
            if (fdWrite.fd_count > 0)
            {
                for (int i = 1; i < curr_size; i++)
                {
                    if (FD_ISSET(sockList[i].sock, &fdWrite))
                    {
                        if (sockList[i].Op == OP_WRITE)
                        {
                            //开始send
                            nRet = send(sockList[i].sock, sockList[i].Buffer, sockList[i].bufLen, 0);
                            //事实上，这里可能会有nRet小于bufLen的情况
                            if (nRet == SOCKET_ERROR)
                            {
                                closesocket(sockList[i].sock);
                                //移除sockList
                                for (int j = i; j < curr_size - 1; j++)
                                {
                                    sockList[i].sock = sockList[i + 1].sock;
                                }
                                curr_size--;
                            }
                            else
                            {
                                sockList[i].Op = OP_READ;
                                printf("[Server]已发送:%d
", nRet);
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}