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[系统运维]网络编程——重叠I/O模型

参考

  1. 《TCP/IP网络编程》 尹圣雨

重叠I/O模型

理解重叠I/O模型

同一线程内部向多个目标传输(或从多个目标接收)数据引起的I/O重叠现象称为“重叠I/O”。为了完成这项任务,调用的I/O函数应立即返回,因此前提条件是异步I/O。而且,为了完成异步I/O,调用的I/O函数应以非阻塞模式工作

Windows中重叠I/O的重点并非I/O本身,而是如何确认I/O完成时的状态

创建重叠I/O套接字

#include <winsock2.h>

SOCKET WSASocket(int af, int type, int protocol, LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo, GROUP g, DWORD dwFlags);

成功时返回套接字句柄,失败时返回INVALID_SOCKET。其中:

  1. af:协议族信息
  2. type:套接字数据传输方式
  3. protocol:2个套接字之间使用的协议信息
  4. lpProtocolInfo:包含创建的套接字信息的WSAPROTOCOL_INFO结构体变量地址值,不需要时传递NULL
  5. g:为扩展函数而预约的参数,可以使用0
  6. dwFlags:套接字属性信息

可以向最后一个参数传递WSA_FLAG_OVERLAPPED,赋予创建出的套接字重叠I/O特性。例如:

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

执行重叠I/O的函数

重叠I/O模型中,服务器端和客户端间的连接过程与一般的套接字连接过程相同,但I/O数据时使用的函数不同

WSASend

#include <winsock2.h>

int WSASend(SOCKET s, LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount, LPDWORD lpNumberOfBytesSent, DWORD dwFlags, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);

成功时返回0,失败时返回SOCKET_ERROR。其中:

  1. s:套接字句柄,传递具有重叠I/O属性的套接字句柄时,以重叠I/O模型输出
  2. lpBuffers:WSABUF结构体变量数组的地址值,WSABUF中存有待传输数据
  3. dwBufferCount:第二个参数中数组的长度
  4. lpNumberOfBytesSent:用于保存实际发送字节数的变量地址值
  5. dwFlags:用于更改数据传输特性,如传递MSG_OOB时发送OOB模式的数据
  6. lpOverlapped:WSAOVERLAPPED结构体变量的地址值,使用事件对象,用于确认完成数据传输
  7. lpCompletionRoutine:传入Completion Routine函数的入口地址值,可以通过该函数确认是否完成数据传输
WSABUF结构体

WSASend第二个参数涉及的WSABUF结构体中存有待传输数据的地址和大小等信息:

typedef struct __WSABUF
{
	u_long len;        // 待传输数据的大小
	char FAR* buf;     // 缓冲地址值
}WSABUF, * LPWSABUF;
WSAOVERLAPPED结构体

WSASend第六个参数涉及的WSAOVERLAPPED结构体定义如下:

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

其中,Internal、InternalHigh成员是进行重叠I/O时操作系统内部使用的成员,而Offset、OffsetHigh属于具有特殊用途的成员。此处只需关注hEvent成员

WSASend函数的lpOverlapped参数中应传递有效的结构体变量地址值,如果传递NULL,WSASend函数的第一个参数中的句柄所指的套接字将以阻塞模式工作。另外,利用WSASend函数同时向多个目标传递数据时,需要分别构建传入第六个参数的WSAOVERLAPPED结构体变量

WSASend示例
WSAEVENT event;
WSAOVERLAPPED overlapped;
WSABUF dataBuf;
char buf[BUF_SIZE] = {"待传输的数据"};
int recvBytes = 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);
......
获取实际传输数据大小

WSASend函数调用过程中,如果输出缓冲是空的,且传输的数据并不大,那么函数调用后可以立即完成数据传输。此时WSASend函数将返回0,而lpNumberOfBytesSent中将保存实际传输的数据大小的信息。反之,WSASend函数返回后仍需要传输数据时,将返回SOCKET_ERROR,并将WSA_IO_PENDING注册为错误代码,该代码可以通过WSAGetLastError函数得到。这时使用WSAGetOverlappedResult函数获取实际传输的数据大小

#include <winsock2.h>

BOOL WSAGetOverlappedResult(SOCKET s, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, LPDWORD lpcbTransfer, BOOL fWait, LPDWORD lpdwFlags);

成功时返回TRUE,失败时返回FALSE。其中:

  1. s:进行重叠I/O的套接字句柄
  2. lpOverlapped:进行重叠I/O时传递的WSAOVERLAPPED结构体变量的地址值
  3. lpcbTransfer:用于保存实际传输的字节数的变量地址值
  4. fWait:如果调用该函数时仍在进行I/O,fWait为TRUE时等待I/O完成,fWait为FALSE时将返回FALSE并跳出函数
  5. lpdwFlags:调用WSARecv函数时,用于获取附加信息(例如OOB消息)。如果不需要,可以传递NULL

WSARecv

#include <winsock2.h>

int WSARecv(SOCKET s, LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount, LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd, LPWORD lpFlags, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);

成功时返回0,失败时返回SOCKET_ERROR。其中:

  1. s:赋予重叠I/O属性的套接字句柄
  2. lpBuffers:用于保存接收数据的WSABUF结构体数组地址值
  3. dwBufferCount:向第二个参数传递的数组的长度
  4. lpNumberOfBytesRecvd:保存接收的数据大小信息的变量地址值
  5. lpFlags:用于设置或读取传输特性信息
  6. lpOverlapped:WSAOVERLAPPED结构体变量地址值
  7. lpCompletionRoutine:Completion Routine函数地址值

确认重叠I/O的I/O完成

重叠I/O中有2种方法确认I/O的完成并获取结果:

  1. 利用WSASend、WSARecv函数的第六个参数,基于事件对象
  2. 利用WSASend、WSARecv函数的第七个参数,基于Completion Routine

使用事件对象

Sender
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#include <WS2tcpip.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;
	inet_pton(AF_INET, argv[1], &sendAdr.sin_addr);
	sendAdr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

	if (connect(hSocket, (SOCKADDR*)&sendAdr, sizeof(sendAdr)) == SOCKET_ERROR)
	{
		ErrorHandling("connnect() 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);              // 完成I/O时,evObj将变为signaled,函数返回
			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);
}
Receiver
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>

#define BUF_SIZE 1024
void ErrorHandling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hLisnSock, hRecvSock;
	SOCKADDR_IN lisnAdr, recvAdr;
	int recvAdrSz;

	WSABUF dataBuf;
	WSAEVENT evObj;
	WSAOVERLAPPED overlapped;

	char buf[BUF_SIZE];
	int recvBytes = 0, flags = 0;
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		ErrorHandling("WSAStartup() error!");
	}

	hLisnSock = WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
	memset(&lisnAdr, 0, sizeof(lisnAdr));
	lisnAdr.sin_family = AF_INET;
	lisnAdr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	lisnAdr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

	if (bind(hLisnSock, (SOCKADDR*)&lisnAdr, sizeof(lisnAdr)) == SOCKET_ERROR)
	{
		ErrorHandling("bind() error");
	}
	if (listen(hLisnSock, 5) == SOCKET_ERROR)
	{
		ErrorHandling("listen() error");
	}

	recvAdrSz = sizeof(recvAdr);
	hRecvSock = accept(hLisnSock, (SOCKADDR*)&recvAdr, &recvAdrSz);

	evObj = WSACreateEvent();
	memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));
	overlapped.hEvent = evObj;
	dataBuf.len = BUF_SIZE;
	dataBuf.buf = buf;

	if (WSARecv(hRecvSock, &dataBuf, 1, &recvBytes, &flags, &overlapped, NULL) == SOCKET_ERROR)
	{
		if (WSAGetLastError() == WSA_IO_PENDING)
		{
			puts("Background data receive");
			WSAWaitForMultipleEvents(1, &evObj, TRUE, WSA_INFINITE, FALSE);
			WSAGetOverlappedResult(hRecvSock, &overlapped, &recvBytes, FALSE, NULL);
		}
		else
		{
			ErrorHandling("WSARecv() error");
		}
	}

	printf("Received message: %s \n", buf);
	WSACloseEvent(evObj);
	closesocket(hRecvSock);
	closesocket(hLisnSock);
	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

使用Completion Routine函数

通过WSASend、WSARecv函数的最后一个参数中指定的Completion Routine(CR)函数验证I/O完成情况

I/O完成时调用注册的CR函数进行事后处理。操作系统通常会预先定义规则,只有请求I/O的线程处于alertable wait状态时才能调用Completion Routine函数,防止破坏程序正常执行流

启动I/O任务后,执行完紧急任务时可以调用下面任一函数验证I/O完成与否:

  1. WaitForSingObjectEx
  2. WaitForMultipleObject
  3. WSAWaitForMultipleEvents
  4. SleepEx

这些函数都有1个参数fAlertable,如果该参数为TRUE,则相应线程进入alertable wait状态,如果有已完成的I/O,则调用相应CR函数。调用后,这些函数都返回WAIT_IO_COMPLETION

CR函数原型:

void CALLBACK CompletionROUTINE(DWORD dwError, DWORD cbTransferred, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD dwFlags);

其中:

  1. dwError:写入错误信息(正常结束时写入0)
  2. cbTransferred:写入实际收发的字节数
  3. lpOverlapped:写入WSASend、WSARecv函数的参数lpOverlapped
  4. dwFlags:写入调用I/O函数时传入的特性信息或0
  5. CALLBACK:与WINAPI相同,都是用于声明函数的调用规范,必须添加
Receiver
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>

#define BUF_SIZE 1024
void CALLBACK CompRoutine(DWORD, DWORD, LPWSAOVERLAPPED, DWORD);
void ErrorHandling(char* message);

WSABUF dataBuf;
char buf[BUF_SIZE];
int recvBytes = 0;

int main(int argc, char* argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hLisnSock, hRecvSock;
	SOCKADDR_IN lisnAdr, recvAdr;

	WSAOVERLAPPED overlapped;
	WSAEVENT evObj;

	int idx, recvAdrSz, flags = 0;
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
	{
		ErrorHandling("WSAStartup() error!");
	}

	hLisnSock = WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
	memset(&lisnAdr, 0, sizeof(lisnAdr));
	lisnAdr.sin_family = AF_INET;
	lisnAdr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	lisnAdr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

	if (bind(hLisnSock, (SOCKADDR*)&lisnAdr, sizeof(lisnAdr)) == SOCKET_ERROR)
	{
		ErrorHandling("bind() error");
	}
	if (listen(hLisnSock, 5) == SOCKET_ERROR)
	{
		ErrorHandling("listen() error");
	}

	recvAdrSz = sizeof(recvAdr);
	hRecvSock = accept(hLisnSock, (SOCKADDR*)&recvAdr, &recvAdrSz);
	if (hRecvSock == INVALID_SOCKET)
	{
		ErrorHandling("accept() error");
	}

	memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));
	dataBuf.len = BUF_SIZE;
	dataBuf.buf = buf;
	evObj = WSACreateEvent();

	if (WSARecv(hRecvSock, &dataBuf, 1, &recvBytes, &flags, &overlapped, CompRoutine) == SOCKET_ERROR) // 必须指定第六个参数WSAOVERLAPPED结构体变量的地址值,但不必为了hEvent成员创建事件对象
	{
		if (WSAGetLastError() == WSA_IO_PENDING)
		{
			puts("Background data receive");
		}
	}

	idx = WSAWaitForMultipleEvents(1, &evObj, FALSE, WSA_INFINITE, TRUE);                              // 使main进程进入alertable wait状态。为此,创建了多余的事件对象evObj
	if (idx == WAIT_IO_COMPLETION)                                                                     // I/O正常结束
	{
		puts("Overlapped I/O Completed");
	}
	else
	{
		ErrorHandling("WSARecv() error");
	}
	WSACloseEvent(evObj);
	closesocket(hRecvSock);
	closesocket(hLisnSock);
	WSACleanup();
	return 0;
}

void CALLBACK CompRoutine(DWORD dwError, DWORD szRecvBytes, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, DWORD flags)
{
	if (dwError != 0)
	{
		ErrorHandling("CompRoutine error");
	}
	else
	{
		recvBytes = szRecvBytes;
		printf("Received message: %s \n", buf);
	}
}

void ErrorHandling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}
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