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  • 完成端口的一些教程

    众所皆知,完成端口是在WINDOWS平台下效率最高,扩展性最好的IO模型,特别针对于WINSOCK的海量连接时,更能显示出其威力。其实建立一个完成端口的服务器也很简单,只要注意几个函数,了解一下关键的步骤也就行了。 
    这是篇完成端口入门级的文章,分为以下几步来说明完成端口: 
    
    函数 
    常见问题以及解答 
    步骤 
    例程 
    1、函数:
    
    我们在完成端口模型下会使用到的最重要的两个函数是:
    CreateIoCompletionPort、GetQueuedCompletionStatus
    
    CreateIoCompletionPort 的作用是创建一个完成端口和把一个IO句柄和完成端口关联起来:
    
    // 创建完成端口
    HANDLE CompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
    
    // 把一个IO句柄和完成端口关联起来,这里的句柄是一个socket 句柄
    CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient, CompletionPort, (DWORD)PerHandleData, 0);
    
    其中第一个参数是句柄,可以是文件句柄、SOCKET句柄。
    第二个就是我们上面创建出来的完成端口,这里就把两个东西关联在一起了。
    第三个参数很关键,叫做PerHandleData,就是对应于每个句柄的数据块。我们可以使用这个参数在后面取到与这个SOCKET对应的数据。
    最后一个参数给0,意思就是根据CPU的个数,允许尽可能多的线程并发执行。
    
    GetQueuedCompletionStatus 的作用就是取得完成端口的结果:
    
    // 从完成端口中取得结果
    GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred, (LPDWORD)&PerHandleData, (LPOVERLAPPED*)&PerIoData, INFINITE)
    
    第一个参数是完成端口
    第二个参数是表明这次的操作传递了多少个字节的数据
    第三个参数是OUT类型的参数,就是前面CreateIoCompletionPort传进去的单句柄数据,这里就是前面的SOCKET句柄以及与之相对应的数据,这里操作系统给我们返回,让我们不用自己去做列表查询等操作了。
    第四个参数就是进行IO操作的结果,是我们在投递 WSARecv / WSASend 等操作时传递进去的,这里操作系统做好准备后,给我们返回了。非常省事!!
    
    个人感觉完成端口就是操作系统为我们包装了很多重叠IO的不爽的地方,让我们可以更方便的去使用,下篇我将会尝试去讲述完成端口的原理。
    
    2、常见问题和解答
    
    a、什么是单句柄数据(PerHandle)和单IO数据(PerIO)
    
    单句柄数据就是和句柄对应的数据,像socket句柄,文件句柄这种东西。
    
    单IO数据,就是对应于每次的IO操作的数据。例如每次的WSARecv/WSASend等等
    
    其实我觉得PER是每次的意思,翻译成每个句柄数据和每次IO数据还比较清晰一点。
    
    在完成端口中,单句柄数据直接通过GetQueuedCompletionStatus 返回,省去了我们自己做容器去管理。单IO数据也容许我们自己扩展OVERLAPPED结构,所以,在这里所有与应用逻辑有关的东西都可以在此扩展。
    
    b、如何判断客户端的断开
    
    我们要处理几种情况
    
    1) 如果客户端调用了closesocket,我们就可以这样判断他的断开:
    
    if(0 == GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred, 。。。)
    
    if(BytesTransferred == 0)
    {
        // 客户端断开,释放资源
    }
    
    2) 如果是客户端直接退出,那就会出现64错误,指定的网络名不可再用。这种情况我们也要处理的:
    
    if(0 == GetQueuedCompletionStatus(。。。))
    {
       if( (GetLastError() == WAIT_TIMEOUT) || (GetLastError() == ERROR_NETNAME_DELETED) )
       {
            // 客户端断开,释放资源
       }
    }
    
    3、步骤
    
    编写完成端口服务程序,无非就是以下几个步骤:
    
    1、创建一个完成端口
    2、根据CPU个数创建工作者线程,把完成端口传进去线程里
    3、创建侦听SOCKET,把SOCKET和完成端口关联起来
    4、创建PerIOData,向连接进来的SOCKET投递WSARecv操作
    
    5、线程里所做的事情:
    a、GetQueuedCompletionStatus,在退出的时候就可以使用PostQueudCompletionStatus使线程退出
    b、取得数据并处理
    
    4、例程
    
    下面是服务端的例程,可以使用《WinSocket模型的探讨——Overlapped模型(一)》中的客户端程序来测试次服务端。稍微研究一下,也就会对完成端口模型有个大概的了解了。
    
    /*
    
       完成端口服务器
    
       接收到客户端的信息,直接显示出来
    
    */
     
     
     
    #include "winerror.h"
    #include "Winsock2.h"
    #pragma comment(lib, "ws2_32")
    
    #include "windows.h"
    
    
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    
    /// 宏定义
    #define PORT 5050
    #define DATA_BUFSIZE 8192
    
    #define OutErr(a) cout << (a) << endl 
    << "出错代码:" << WSAGetLastError() << endl 
    << "出错文件:" << __FILE__ << endl 
    << "出错行数:" << __LINE__ << endl
    
    #define OutMsg(a) cout << (a) << endl;
    
    
    /// 全局函数定义
    
    
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
    //
    // 函数名       : InitWinsock
    // 功能描述     : 初始化WINSOCK
    // 返回值       : void 
    //
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
    void InitWinsock()
    {
        // 初始化WINSOCK
        WSADATA wsd;
        if( WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd) != 0)
            
    }
    
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
    //
    // 函数名       : BindServerOverlapped
    // 功能描述     : 绑定端口,并返回一个 Overlapped 的Listen Socket
    // 参数         : int nPort
    // 返回值       : SOCKET 
    //
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
    SOCKET BindServerOverlapped(int nPort)
    {
        // 创建socket 
        SOCKET sServer = WSASocket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
        
        // 绑定端口
        struct sockaddr_in servAddr;
        servAddr.sin_family = AF_INET;
        servAddr.sin_port = htons(nPort);
        servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        
        if(bind(sServer, (struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr)) < 0)
        {
            OutErr("bind Failed!");
            return NULL;
        }
        
        // 设置监听队列为200
        if(listen(sServer, 200) != 0)
        {
            OutErr("listen Failed!");
            return NULL;
        }
        return sServer;
    }
    
    
    /// 结构体定义
    typedef struct
    {
        OVERLAPPED Overlapped;
        WSABUF DataBuf;
        CHAR Buffer[DATA_BUFSIZE];
    } PER_IO_OPERATION_DATA, * LPPER_IO_OPERATION_DATA;
    
    
    typedef struct 
    {
        SOCKET Socket;
    } PER_HANDLE_DATA, * LPPER_HANDLE_DATA;
    
    
    DWORD WINAPI ProcessIO(LPVOID lpParam)
    {
        HANDLE CompletionPort = (HANDLE)lpParam;
        DWORD BytesTransferred;
        LPPER_HANDLE_DATA PerHandleData;
        LPPER_IO_OPERATION_DATA PerIoData;
        
        while(true)
        {
            
            if(0 == GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred, (LPDWORD)&PerHandleData, (LPOVERLAPPED*)&PerIoData, INFINITE))
            {
                if( (GetLastError() == WAIT_TIMEOUT) || (GetLastError() == ERROR_NETNAME_DELETED) )
                {
                    cout << "closing socket" << PerHandleData->Socket << endl;
                    
                    closesocket(PerHandleData->Socket);
                    
                    delete PerIoData;
                    delete PerHandleData;
                    continue;
                }
                else
                {
                    OutErr("GetQueuedCompletionStatus failed!");
                }
                return 0;
            }
            
            // 说明客户端已经退出
            if(BytesTransferred == 0)
            {
                cout << "closing socket" << PerHandleData->Socket << endl;
                closesocket(PerHandleData->Socket);
                delete PerIoData;
                delete PerHandleData;
                continue;
            }
            
            // 取得数据并处理
            cout << PerHandleData->Socket << "发送过来的消息:" << PerIoData->Buffer << endl;
            
            // 继续向 socket 投递WSARecv操作
            DWORD Flags = 0;
            DWORD dwRecv = 0;
            ZeroMemory(PerIoData, sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
            PerIoData->DataBuf.buf = PerIoData->Buffer;
            PerIoData->DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
            WSARecv(PerHandleData->Socket, &PerIoData->DataBuf, 1, &dwRecv, &Flags, &PerIoData->Overlapped, NULL); 
        }
        
        return 0;
    }
    
    void main()
    {
        InitWinsock();
        
        HANDLE CompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
        
        // 根据系统的CPU来创建工作者线程
        SYSTEM_INFO SystemInfo;
        GetSystemInfo(&SystemInfo);
        
        for(int i = 0; i < SystemInfo.dwNumberOfProcessors * 2; i++)
        {
            HANDLE hProcessIO = CreateThread(NULL, 0, ProcessIO, CompletionPort, 0, NULL);
            if(hProcessIO)
                
        }
        
        // 创建侦听SOCKET
        SOCKET sListen = BindServerOverlapped(PORT);
        
        
        SOCKET sClient;
        LPPER_HANDLE_DATA PerHandleData;
        LPPER_IO_OPERATION_DATA PerIoData;
        while(true)
        {
            // 等待客户端接入
            //sClient = WSAAccept(sListen, NULL, NULL, NULL, 0);
            sClient = accept(sListen, 0, 0);
            
            cout << "Socket " << sClient << "连接进来" << endl;
            
            PerHandleData = new PER_HANDLE_DATA();
            PerHandleData->Socket = sClient;
            
            // 将接入的客户端和完成端口联系起来
            CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient, CompletionPort, (DWORD)PerHandleData, 0);
            
            // 建立一个Overlapped,并使用这个Overlapped结构对socket投递操作
            PerIoData = new PER_IO_OPERATION_DATA();
            
            ZeroMemory(PerIoData, sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
            PerIoData->DataBuf.buf = PerIoData->Buffer;
            PerIoData->DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
            
            // 投递一个WSARecv操作
            DWORD Flags = 0;
            DWORD dwRecv = 0;
            WSARecv(sClient, &PerIoData->DataBuf, 1, &dwRecv, &Flags, &PerIoData->Overlapped, NULL);
        }
        
        DWORD dwByteTrans;
        PostQueuedCompletionStatus(CompletionPort, dwByteTrans, 0, 0);
        closesocket(sListen);
    }
     
     
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