winsock的io模型(终极篇)

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最近在看服务器框架的搭建，看了不少，都是零零碎碎的，觉得看的差不多了，可以写点最后的总结了，然后，竟然发现了这篇文章，总结做的特别好，肯定比我总结写要好多了，所以我也就不写了，直接转吧。。。。。。

套接字模式：锁定、非锁定
套接字I/O模型：       select（选择）
WSAAsyncSelect（异步选择）
WSAEventSelect（事件选择）
Overlapped I/O（重叠式I / O）
Completion port（完成端口）

一、 简介

套接字模型的出现，是为了解决套接字模式存在的某些限制。
所有Wi n d o w s平台都支持套接字以锁定或非锁定方式工作。然而，并非每种平台都支持每一种I / O模型。
操作系统对套接字I / O模型的支持情况

二、          套接字模式

在锁定模式下，在I / O操作完成前，执行操作的Winsock函数（比如send和recv）会一直等候下去，不会立即返回程序（将控制权交还给程序）。而在非锁定模式下，Winsock函数无论如何都会立即返回。

锁定模式
处在锁定模式的套接字，因为在一个锁定套接字上调用任何一个Winsock API函数，都会产生相同的后果—耗费或长或短的时间"等待"。

非锁定模式
SOCKET s;
unsigned long ul=1;
int nRet;
s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
nRet = ioctlsocket(s,FIOBIO,(unsigned long *) &ul);
if(nRet == SOCKET_ERROR)
{
      //Failed to put the socket into nonblocking mode
}

三、  套接字I/O模型

1. select模型
select函数，可以判断套接字上是否存在数据，或者能否向一个套接字写入数据。
处于锁定模式时，防止I / O调用（如send或recv），进入"锁定"状态；同时防止在套处于非锁定模式时，防止产生WSAEWOULDBLOCK错误。
除非满足事先用参数规定的条件，否则select函数会在进行I / O操作时锁定。

select的函数原型：
int select(
      int nfds,//会被忽略, 为了保持与早期的B e r k e l e y套接字应用程序的兼容
fd_set FAR * readfds,//检查可读性
fd_set FAR * writefds,//检查可写性
fd_set FAR * exceptfds,//于例外数据
const struct timeval FAR * timeout//最多等待I / O操作完成多久的时间。如是空指针，无限期等
);
//fd_set数据类型代表着一系列特定套接字的集合
Wi n s o c k提供下列宏对f d _ s e t进行处理与检查：
■ FD_CLR(s, *set)：从s e t中删除套接字s。
■ FD_ISSET(s, *set)：检查s是否s e t集合的一名成员；如答案是肯定的是，则返回T R U E。
■ FD_SET(s, *set)：将套接字s加入集合s e t。
■ F D _ Z E R O ( * s e t )：将s e t初始化成空集合。

步骤：
1) 使用F D _ Z E R O宏，初始化自己感兴趣的每一个f d _ s e t。
2) 使用F D _ S E T宏，将套接字句柄分配给自己感兴趣的每个f d _ s e t。
3) 调用s e l e c t函数，然后等待在指定的f d _ s e t集合中，I / O活动设置好一个或多个套接字句柄。s e l e c t完成后，会返回在所有f d _ s e t集合中设置的套接字句柄总数，并对每个集合进行相应的更新。
4) 根据s e l e c t的返回值，我们的应用程序便可判断出哪些套接字存在着尚未完成的I / O操作—具体的方法是使用F D _ I S S E T宏，对每个f d _ s e t集合进行检查。
5) 知道了每个集合中"待决"的I / O操作之后，对I / O进行处理，然后返回步骤1 )，继续进行s e l e c t处理。
s e l e c t返回后，它会修改每个f d _ s e t结构，删除那些不存在待决I / O操作的套接字句柄。这正是我们在上述的步骤( 4 )中，为何要使用F D _ I S S E T宏来判断一个特定的套接字是否仍在集合中的原因。
SOCKET s;
fd_set fdread;
int ret;
//create a socket, and accept a connection
//Manage I/O on the socket
while(TRUE)
{
//Always clear the read set before calling select()
FD_ZERO(&fdread);
//Add socket s to the read set
FD_SET(s,&fdread);
If((ret=select(0,&fdread,NULL,NULL,NULL))== SOCKET_ERROR){
    //Error condition
}
if(ret>0)
{
    //For this simple case, select() should return the value 1. An application dealing with
      //more than one socket could get a value greater than 1.At this point,your application
//should check to see whether the socket is part of a set.
If(FD_ISSET(s,&fdread))
{
                //A read event has occurred on socket s
}
}
}

2. WSAAsyncSelect
有用的异步I / O模型，利用这个模型，应用程序可在一个套接字上，接收以Windows消息为基础的网络事件通知。
函数原型：
int WSAAsyncSelect(
     SOCKET s,
     HWND hWnd,//收到通知消息的那个窗口
     unsigned int wMsg, //指定在发生网络事件时，打算接收的消息
     long lEvent//位掩码，对应于一系列网络事件的组合
);

用于WSAAsyncSelect函数的网络事件:
FD_READ 应用程序想要接收有关是否可读的通知，以便读入数据
FD_WRITE 应用程序想要接收有关是否可写的通知，以便写入数据
FD_OOB 应用程序想接收是否有带外（OOB）数据抵达的通知
FD_ACCEPT 应用程序想接收与进入连接有关的通知
FD_CONNECT 应用程序想接收与一次连接或者多点join操作完成的通知
FD_CLOSE 应用程序想接收与套接字关闭有关的通知
FD_QOS 应用程序想接收套接字"服务质量"（QoS）发生更改的通知
FD_GROUP_QOS 应用程序想接收套接字组"服务质量"发生更改的通知（为未来套接字组的使用保留）
FD_ROUTING_INTERFACE_CHANGE 应用程序想接收在指定的方向上，与路由接口发生变化的通知
FD_ADDRESS_LIST_CHANGE 应用程序想接收针对套接字的协议家族，本地地址列表发生变化的通知

窗口例程，函数原型：
LRESULT CALLBACK WindowProc(
     HWND hWnd,
     UINT uMsg,
     WPARAM wParam,
     LPARAM lParam
);
WSAAsyncSelect 调用中定义的消息。wParam参数指定在其上面发生了一个网络事件的套接字。假若同时为这个窗口例程分配了多个套接字，这个参数的重要性便显示出来了。 在lParam参数中，包含了两方面重要的信息。其中， lParam的低位字指定了已经发生的网络事件，而lParam的高位字包含了可能出现的任何错误代码。
网络事件消息 抵达一个窗口例程后，应用程序首先应检查lParam的高字位，以判断是否在套接字上发生了一个网络错误。这里有一个特殊的宏： WSAGETSELECTERROR，可用它返回高字位包含的错误信息。若应用程序发现套接字上没有产生任何错误，接着便应调查到底是哪个网络事件类型， 造成了这条Windows消息的触发—具体的做法便是读取lParam之低字位的内容。此时可使用另一个特殊的宏：WSAGETSELECTEVENT， 用它返回lParam的低字部分。

3.WSAEventSelect
异步I / O模型, 网络事件投递至一个事件对象句柄，而非投递至一个窗口例程。

1.      针对打算使用的每一个套接字，首先创建一个事件对象。
WSAEVENT WSACreateEvent(void);
*相关的函数：BOOL WSAResetEvent(WSAEVENT hEvent);BOOL WSACloseEvent(WSAEVENT hEvent);
WSACreateEvent创建的事件拥有两种工作状态：signaled和nonsignaled，以及两种工作模式：manual reset和auto reset。

2.     将其与某个套接字关联在一起，同时注册自己感兴趣的网络事件类型。
int WSAEventSelect(Socket s,WSAEVENT hEventObject,long lNetworkEvents);

3.      套 接字同一个事件对象句柄关联在一起后，应用程序便可开始I/O处理；方法是等待网络事件触发事件对象句柄的工作状态。 WSAWaitForMultipleEvents函数的设计宗旨便是用来等待一个或多个事件对象句柄，并在事先指定的一个或所有句柄进入"已传信"状态 后，或在超过了一个规定的时间周期后，立即返回。
DWORD WSAWaitForMultipleEvents(
           DWORD cEvents,
           const WSAEVENT FAR * lphEvents,
           BOOL fWaitAll,
           DWORD dwTimeOut,
           BOOL fAlertable
);
WSAWaitForMultipleEvents 只能支持由WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS对象规定的一个最大值，在此定义成64个。因此，针对发出 WSAWaitForMultipleEvents调用的每个线程，该I/O模型一次最多都只能支持6 4个套接字。假如想让这个模型同时管理不止64个套接字，必须创建额外的工作者线程，以便等待更多的事件对象。

4.     知道了造成网络事件的套接字后，接下来调用WSAEnumNetworkEvents函数，调查发生了什么类型的网络事件。
int WSAEnumNetworkEvents(SOCKET s,WSAEVENT hEventObject,LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents)；

4. Overlapped I/O
重叠I / O（Overlapped I/O）模型使应用程序能达到更佳的系统性能。
重叠模型的基本设计原理便是让应用程序使用一个重叠的数据结构，一次投递一个或多个Winsock I/O请求。
首 先使用WSA_FLAG_OVERLAPPED这个标志，创建一个套接字。s = WSASocket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);创建套接字的时候，假如使用的是socket函数，而非WSASocket函数，那么会默认 设置WSA_FLAG_OVERLAPPED标志。成功建好一个套接字，同时将其与一个本地接口绑定到一起后，便可开始进行重叠I / O 操作，方法是调用下述的Wi n s o c k 函数，同时指定一个WSAOVERLAPPED结构（可选）：
■ WSASend
■ WSASendTo
■ WSARecv
■ WSARecvFrom
■ WSAIoctl
■ AcceptEx
■ TrnasmitFile
步骤：
1) 创建一个套接字，开始在指定的端口上监听连接请求。
2) 接受一个进入的连接请求。
3) 为接受的套接字新建一个WSAOVERLAPPED结构，并为该结构分配一个事件对象句柄。也将事件对象句柄分配给一个事件数组，以便稍后由WSAWaitForMultipleEvents函数使用。
4) 在套接字上投递一个异步WSARecv请求，指定参数为WSAOVERLAPPED结构。注意函数通常会以失败告终，返回SOCKET_ERROR错误状态WSA_IO_PENDING（I/O操作尚未完成）。
5) 使用步骤3 )的事件数组，调用WSAWaitForMultipleEvents函数，并等待与重叠调用关联在一起的事件进入"已传信"状态（换言之，等待那个事件的"触发"）。
6) WSAWaitForMultipleEvents函数完成后，针对事件数组，调用WSAResetEvent（重设事件）函数，从而重设事件对象，并对完成的重叠请求进行处理。
7) 使用WSAGetOverlappedResult函数，判断重叠调用的返回状态是什么。
8) 在套接字上投递另一个重叠WSARecv请求。
9) 重复步骤5 ) ~ 8 )。
                     
              void main(void)
{
      WSABUF DataBuf;
      DWORD EventTotal = 0;
      WSAEVENT EventArray[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];
      WSAOVERLAPPED AcceptOverlapped;
      SOCKET ListenSocket,AcceptSocket;
      //Step 1:Start Winsock and set up a listening socket
      ...
      //Step 2:Accept an inbound connection
      AcceptSocket = accept(ListenSocket, NULL , NULL);
      //Step 3:Set up an overlapped structure
      EventArray[EventTotal] = WSACreateEvent();
      ZeroMemory(&AcceptOverlapped, sizeof(WSAOVERLAPPED));
      AcceptOverlapped.hEvent= EventArray[EventTotal];          
      DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
      DataBuf.buf = buffer;
      EventTotal ++;
      //Step 4:Post a WSARecv request to begin receiving data on the socket
WSARecv(AcceptSocket, &DataBuf, 1, &RecvBytes, &Flags, &AcceptOverlapped, NULL);
While(TRUE)
{
      //Step 5:Wait for the overlapped I/O call to complete
      Index = WSAWaitForMultipleEvents(EventTotal,EventArray,FALSE,WSA_INFINITE,FALSE);
//Index should be 0,because we have only one event handle in EventArray
//Step 6:Reset the signaled event
WSAResetEvent(EventArray[Index - WSA_WAIT_EVENT_0]);
//Step 7:Determine the status of the overlapped request
WSAGetOverlappedResult(AcceptSocket, &AcceptOverlapped, &BytesTransferred, FALSE, &Flags);
//First check to see whether the peer has closed the connection, and if so, close the socket
if(BytesTransferred == 0){
     closesocket(AcceptSocket);
     WSACloseEvent(EventArray[Index - WSA_WAIT_EVENT_0]);
     Return;
}
//Do something with the received data.
//DataBuf contains the received data.
...
//Step 8:Post another WSARecv() request on the socket
Flags = 0;
ZeroMemory(&AcceptOverlapped,sizeof(WSAOVERLAPPED));
AcceptOverlapped.hEvent = EventArray[Index - WSA_WAIT_EVENT_0];
DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
DataBuf.buf = Buffer;
WSARecv(AcceptSocket, &DataBuf, 1, &RecvBytes, &Flags, &AcceptOverlapped,NULL);
}
}
在Windows NT和Windows 2000中，重叠I/O模型也允许应用程序以一种重叠方式，实现对连接的接受。具体的做法是在监听套接字上调用AcceptEx函数。

完成例程
"完成例程"是我们的应用程序用来管理完成的重叠I / O请求的另一种方法。完成例程其实就是一些函数。设计宗旨是通过调用者的线程，为一个已完成的I / O请求提供服务。
void CALLBACK CompletionROUTINE(
       DWORD dwError, //表明了一个重叠操作（由l p O v e r l a p p e d指定）的完成状态是什么。
       DWORD cbTransferred,//实际传输的字节量
   LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
   DWORD dwFlags // 0
);
在用一个完成例程提交的重叠请求，与用一个事件对象提交的重叠请求之间，存在着一项非常重要的区别。WSAOVERLAPPED结构的事件字段hEvent并未使用；
步骤：
1) 新建一个套接字，开始在指定端口上，监听一个进入的连接。
2) 接受一个进入的连接请求。
3) 为接受的套接字创建一个WSAOVERLAPPED结构。
4) 在套接字上投递一个异步WSARecv请求，方法是将WSAOVERLAPPED指定成为参数，同时提供一个完成例程。
5) 在将fAlertable参数设为TRUE的前提下，调用WSAWaitForMultipleEvents，并等待一个重叠I/O请求完成。重叠请求完 成后，完成例程会自动执行，而且WSAWaitForMultipleEven ts会返回一个WSA_IO_COMPLETION。在完成例程内，可随一个完成例程一道，投递另一个重叠WSARecv请求。
6) 检查WSAWaitForMultipleEvents是否返回WSA_IO_COMPLETION。
7) 重复步骤5 )和6 )。

SOCKET AcceptSocket;
WSABUF DataBuf;
void main(void)
{
             WSAOVERLAPPED Overlapped;
//Step 1:Start Winsock, and set up a listening socket
     ...
//Step 2:Accept a new connection
     AcceptSocket = accept(ListenSocket, NULL, NULL);
//Step 3:Now that we have an accepted socket,start processing I/O using overlapped I/O with a completion routine.
//To get the overlapped I/O processing started,first submit an overlapped WSARECV() request.
     Flags = 0;
     ZeroMemory(&Overlapped, sizeof(WSAOVERLAPPED));
     DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
     DataBuf.buf = Buffer;
//Step 4: Post an asynchronous WSARecv() request on the socket by specifying the WSAOVERLAPPED structure
//as a parameter, and supply the WorkerRoutine function below as the completion routine
if(WSARecv(AcceptSocket,&DataBuf,1,&RecvBytes,&Flags,&Overlapped,WorkerRoutine) == SOCKET_ERROR){
     if(WSAGetLastError()!=WSA_IO_PENDING){
                   return;
}
     //Since the WSAWaitForMultipleEvents() API requires waiting on one or more event objects
//we will have to create a dummy event object. As an alternative, we can use SleepEx() instead.
EventArray[0] = WSACreatedEvent();
While(TRUE)
{  
            //Step 5:
Index = WSAWaitForMultipleEvents(1, EventArray, FALSE, WSA_INFINITE, TRUE);
//Step 6:
    if(Index = = WAIT_IO_COMPLETION) {
            //An overlapped request completion routine just completed.Continue servicing more completion rouines.
                   break;
}
else{
    //A bad error occurred - stop processing.
    Return;
}
}
}
}

void CALLBACK WorkerRoutine(DWORD Error,DWORD BytesTransferred,LPWSAOVERLAPPED overlapped,DWORD InFlags)
{
     DWORD SendBytes, RecvBytes;
     DWORD Flags;
     If(Error!=0||BytesTransferred == 0){
      //a bad error occurred on the socket
     closesocket(AcceptSocket);
     return;
}
//At this point, an overlapped WSARecv() request completed successfully.Now we can retrieve the received data that is
//contained in the variable DataBuf. After Processing the received data,We need to post another overlapped
//WSARecv() or WSASend() request.For Simplicity,we need to post another overlapped WSARecv() or WSASend()
//request.For Simplicity,we will post another WSARecv() request.
Flags = 0;
ZeroMemory(&Overlapped, sizeof(WSAOVERLAPPED));
DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
DataBuf.buf = Buffer;
if (WSARecv(AcceptSocket,*DataBuf,1,&RecvBytes,&Flags,&Overlapped,WorkerRoutine)==SOCKET_ERROR){
     if(WSAGetLastError()!=WSA_IO_PENDING){
    return;
}
}   
}

5、完成端口模型
" 完成端口"模型是迄今为止最为复杂的一种I / O模型。然而，假若一个应用程序同时需要管理为数众多的套接字，那么采用这种模型，往往可以达到最佳的系统性能！但不幸的是，该模型只适用于 Windows NT和Windows 2000操作系统。因其设计的复杂性，只有在你的应用程序需要同时管理数百乃至上千个套接字的时候，而且希望随着系统内安装的C P U数量的增多，应用程序的性能也可以线性提升，才应考虑采用"完成端口"模型。要记住的一个基本准则是，假如要为Windows NT或Windows 2000开发高性能的服务器应用，同时希望为大量套接字I / O请求提供服务（We b服务器便是这方面的典型例子），那么I / O完成端口模型便是最佳选择！

6. 个人感悟

按照我现在对这些模型的理解，个人觉得select模型和WSAAsyncSelect（异步选择）WSAEventSelect（事件选择）的差别并不是很大，都是在主线程保存一个socket数组，记录的是已经接受的clientsocket和listensocket，然后就有点区别了，select需要自己在主线程来通过阻塞的方式来判断是否有IO请求进来，而WSAAsyncSelect（异步选择）和WSAEventSelect（事件选择）是通过异步的方式，当有请求进来时会以信息的方式来通知，我们只要响应这个信息就行了，在信息响应函数中进行IO操作，将接受的数据写到程序的内存区。

重叠IO是专门开一个线程，在这个线程里专门accept,当一个client联入后，为它创建一个事件对象和重叠结构，然后调用WSARecv（），或者WSASend（）然后这个线程的使命就完成了，继续监听端口等待新的client联进来。然后在另一个线程等待着完成事件的触发，然后进行相应的操作。怎么感觉这个和上面的也差不了多少呢。不过相比较而言这个是多线程的异步，而上面的是单线程的异步。

最后是完成端口模型，也就是IOCP，传说中最高效的异步模型。现在对这个理解并不好，还要好好看看实例。

WSAAsyncSelect（异步选择）WSAEventSelect（事件选择）

winsock的io模型(终极篇),布布扣,bubuko.com

winsock的io模型(终极篇)

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