《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 22：重疊 I/O 模型

《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 22：重疊 I/O 模型

  • 《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 22：重疊 I/O 模型
    • 理解重疊 I/O 模型
      • 重疊 I/O
      • 本章討論的重疊 I/O 的重點不在于 I/O
    • 創建重疊 I/O 套接字
    • 執行重疊 I/O 的 WSASend 函數
    • 進行重疊 I/O 的 WSARecv 函數
    • 重疊 I/O 的 I/O 完成確認
      • 使用事件對象
      • 使用 Completion Routine 函數

《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 22：重疊 I/O 模型

理解重疊 I/O 模型

第 21 章異步處理的并非 I/O，而是“通知”。本章講解的才是以異步方式處理 I/O 的方法。

重疊 I/O

同一線程內部向多個目標傳輸數據引起的 I/O 重疊現象稱為“重疊I/O”。為了完成這項任務，調用的 I/O 函數應立即返回，只有這樣才能發送后續數據。從結果來看，利用上述模型收發數據時，最重要的前提條件就是異步 I/O（調用的 I/O 函數應以非阻塞模式工作）。

在這里插入圖片描述

本章討論的重疊 I/O 的重點不在于 I/O

重疊 I/O 的重點并非 I/O 本身，而是如何確認 I/O 完成時的狀態。

非阻塞模式的輸入輸出需要另外確認執行結果。

Windows 平臺下重疊 I/O 模型由非阻塞異步 I/O 函數和確認 I/O 完成狀態的方法組成。

創建重疊 I/O 套接字

首先要創建適用于重疊I/O的套接字，可以通過如下函數完成：

#include <winsock2.h>SOCKET WSASocket(int af, int type, int protocol, LPWSAPROTOCOL_INFO loProtocolInfo,GROUP g,DWORD dwFlags
);

參數：

  • af：協議族信息
  • type：套接字數據傳輸方式
  • protocol：2 個套接字之間使用的協議信息
  • lpProtocolInfo：包含創建的套接字信息的WSAPROTOCOL_INFO結構體變量地址值，不需要時傳遞 NULL。
  • g：為擴展函數而預約的參數，可以使用 0
  • dwFlags：套接字屬性信息

成功時返回套接字句柄，失敗時返回 INVALID_SOCKET。

各位對前 3 個參數比較熟悉，第四個和第五個參數與目前的工作無關，可以簡單設置為 NULL 和 0。可以向最后一個參數傳遞 WSA_FLAG_OVERLAPPED，賦予創建出的套接字重疊 I/O 特性。

可以通過如下函數調用創建出可以進行重疊 I/O 的非阻塞模式的套接字。

WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);

執行重疊 I/O 的 WSASend 函數

創建出具有重疊 I/O 屬性的套接字后，接下來 2 個套接字（服務器端/客戶端之間的）連接過程與一般的套接字連接過程相同，但 I/O 數據時使用的函數不同。

先介紹重疊 I/O 中使用的數據輸出函數：

#include <winsock2.h>int WSASend(SOCKET s,LPWSABUF lpBuffers,DWORD dwBufferCount,LPDWORD lpNumberOfBytesSent,DWORD dwFlags,LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
);

參數：

  • s：套接字句柄，傳遞具有重疊 I/O 屬性的套接字句柄時，以重疊 I/O 模型輸出。
  • IpBuffers：WSABUF 結構體變量數組的地址值，WSABUF 中存有待傳輸數據。
  • dwBufferCount：第二個參數中數組的長度。
  • IpNumberOfBytesSent：用于保存實際發送字節數的變量地址值
  • dwFlags：用于便改數據傳輸特性，如傳遞 MSG_OOB 時發送 OOB 模式的數據。
  • IpOverlapped：WSAOVERLAPPED 結構體變量的地址值，使用事件對象，用于確認完成數據傳輸。
  • IpCompletionRoutine：傳入 Completion Routine 函數的入口地址值，可以通過該函數確認是否完成數據傳輸。

成功時返回 0，失敗時返回 SOCKET_ERROR。

接下來介紹上述函數的第二個結構體參數類型，該結構體中存有待傳輸數據的地址和大小等信息。

typedef struct __WSABUF
{u_long len; // 待傳輸數據的大小char FAR * buf; // 緩沖地址值
} WSABUF, *LPWSABUF;

利用上述函數和結構體，傳輸數據時可以按如下方式編寫代碼：

WSAEVENT event;
WSAOVERLAPPED overlapped;
WSABUF dataBuf;
char buf[BUF_SIZE] = {"待傳輸的數據"};
int revcBytes = 0;
......
event = WSACreateEvent();
memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));
overlapped.hEvent = event;
dataBuf.len = sizeof(buf);
dataBuf.buf = buf;
WSASend(hSocket, &dataBuf, 1, &recvBytes, 0, &overlapped, NULL);
......

調用 WSASend 函數時將第三個參數設置為 1，因為策二個參數中待傳輸數據的緩沖個數為 1。另外，多余參數均設置為 NULL 或 0，其中需要注意第六個和第七個參數。

第六個參數中的 WSAOVERLAPPED 結構體定義如下：

typedef struct _WSAOVERLAPPED
{ DWORD Internal;DWORD InternalHigh;DWORD Offset;DWORD OffsetHigh;WSAEVENT hEvent;
} WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;

Internal、InternalHigh 成員是進行重疊 I/O 時操作系統內部使用的成員，而 Offset、OffsetHigh 同樣屬于具有特殊用途的成員。所以各位實際只需要關注 hEvent 成員。

關于 WSAOVERLAPPED 結構體有 3 點需要注意：

  1. 為了進行重疊 I/O，WSASend 函數的 lpOverlapped 參數中應該傳遞有效的結構體變量地址值，而不是 NULL。
  2. 若向 lpOverlapped 傳遞 NULL，WSASend 函數的第一個參數中的句柄所指的套接字將以阻
    塞模式工作。
  3. 利用 WSASend 函教同時向多個目標傳輸數據時，需要分別構建傳入第六個參數的 WSAOVERLAPPED 結構體變量。這是因為，進行重疊 I/O 的過程中，操作系統將使用 WSAOVERLAPPED 結構體變量。

WSASend 函數調用過程中，函數返回時間點和數據傳輸完成時間點并非總不一致。分為以下兩種情況：

  • 如果輸出緩沖是空的，且傳輸的數據并不大，那么函數調用后可以立即完成數據傳輸。此時，WSASend 函數將返回 0，lpNumberOfBytesSent 中將保存實際傳輸的數據大小的信息。
  • 反之，WSASend 函數返回后仍需要傳輸數據時，將返回 SOCKET_ERROR，并將 WSA_IO_PENDING 注冊為錯誤代碼，該代碼可以通過 WSAGetLastError 函數（稍后再介紹）得到。這時應該通過如下函效獲取實際傳輸的數據大小。
#include <winsock2.h>BOOL WSAGetOverlappedResult(SOCKET s,LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,LPDWORD lpcbTransfer,BOOL fWait,LPDWORD lpdwFlags
);

參數：

  • s：進行重疊 I/O 的套接字句柄。
  • IpOverlapped：進行重疊 I/O 時傳遞的 WSAOVERLAPPED 結構體變量的地址值。
  • lpcbTransfer：用于保存實際傳輸的字節數的變量地址值。
  • fWait：如果調用該函數時仍在進行 I/O，fWait 為 TRUE 時等待 I/O 完成，fWait 為 FALSE 時將返回 FALSE 并跳出函數。
  • IpdwFlags：調用 WSARecv 函數時，用于獲取附加信息（例如 OOB 消息）。如果不需要，可以傳遞 NULL。

成功時返回 TRUE，失敗時返回 FALSE。

通過此函數不僅可以獲取數據傳輸結果，還可以驗證接收數據的狀態。

進行重疊 I/O 的 WSARecv 函數

#include <winsock2.h>int WSARecv(SOCKET s,LPWSABUF lpBuffers,DWORD dwBufferCount,LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd,LPDWORD lpFlags,LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
);

參數：

  • s：具有重疊 I/O 屬性套接字句柄。
  • IpBuffers：用于保存接收數據的 WSABUF 結構體變量數組的地址值。
  • dwBufferCount：第二個參數中數組的長度。
  • lpNumberOfBytesRecvd：用于保存接收字節數的變量地址值。
  • lpFlags：用于設置或讀取傳輸特性信息。
  • IpOverlapped：WSAOVERLAPPED 結構體變量地址值。
  • IpCompletionRoutine：Completion Routine 函數地址值。

成功時返回 0，失敗時返回 SOCKET_ERROR。

Gather 輸出指將多個緩沖中的數據累積到一定程度后一次性輸出，Scatter 輸入指將接收的數據分批保存。
重疊 I/O 的 WSASend 和 WSARecv 函數可以獲得 writev & readv 函數的 Gather/Scatter I/O 功能。

重疊 I/O 的 I/O 完成確認

重疊 I/O 中有 2 種方法確認 I/O 的完成并獲取結果。

  • 利用 WSASend、WSARecv 函數的第六個參數，基于事件對象。
  • 利用 WSASend、WSARecv 函數的第七個參數，基于 Completion Routine。

只有理解了這 2 種方法，才能算是掌握了重疊 I/O。首先介紹利用第六個參數的方法。

使用事件對象

直接給出示例。希望各位通過該示例驗證如下 2 點：

  • 完成 I/O 時，WSAOVERLAPPED 結構體變量引用的事件對象將變為 signaled 狀態。
  • 為了驗證 I/O 的完成和完成結果，需要調用 WSAGetOvrlappedResult 函數。

發送端代碼：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>void ErrorHandling(char *msg);int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hSocket;SOCKADDR_IN sendAdr;WSABUF dataBuf;char msg[] = "Network is Computer!";int sendBytes = 0;WSAEVENT evObj;WSAOVERLAPPED overlapped;if (argc != 3){printf("Usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)ErrorHandling("WSAStartup() error");hSocket = WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);memset(&sendAdr, 0, sizeof(sendAdr));sendAdr.sin_family = AF_INET;sendAdr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);sendAdr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(hSocket, (SOCKADDR *)&sendAdr, sizeof(sendAdr)) == SOCKET_ERROR)ErrorHandling("connect() error");evObj = WSACreateEvent();memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));overlapped.hEvent = evObj;dataBuf.len = strlen(msg) + 1;dataBuf.buf = msg;if (WSASend(hSocket, &dataBuf, 1, &sendBytes, 0, &overlapped, NULL) == SOCKET_ERROR){if (WSAGetLastError() == WSA_IO_PENDING){puts("Background data send");WSAWaitForMultipleEvents(1, &evObj, TRUE, WSA_INFINITE, FALSE);WSAGetOverlappedResult(hSocket, &overlapped, &sendBytes, FALSE, NULL);}else{ErrorHandling("WSASend() error");}}printf("Send data size: %d \n", sendBytes);WSACloseEvent(evObj);closesocket(hSocket);WSACleanup();return 0;
}void ErrorHandling(char *msg)
{fputs(msg, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

上述示例調用的 WSAGetLastError 函數定義如下。調用套接字相關函數后，可以通過該函數獲取錯誤信息。

#include<winsock2.h>int WSAGetLastError(void); // 返回錯誤代碼（表示錯誤原因）

上述示例中該函數的返回值為 WSA_IO_PENDING，由此可以判斷 WSASend 函數的調用結果并非發生了錯誤，而是尚未完成的狀態。

下面介紹與上述示例配套使用的接收端代碼：

在這里插入代碼片

使用 Completion Routine 函數

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