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第一章 序言
我写这个专题的目的，一方面是为了通过对网络编程再一次系统的总结，提高自己的网络编程水平，特别是Windows下的网络编程水平。同一时候，我也希望，能为众多初学网络编程的人提供一点帮助，由于我開始学习网络编程的时候，能找到的资料就非常少。当然，花钱能够买到翻译版本号的书：）
首先向大家推荐一本非常好的參考书，Network Programming for Microsoft Windows 2nd，
初学网络编程的时候我还不知道有这样一本好书，仅仅是上各大论坛把能找到的网络编程方面的文章和代码下载下来，然后自己研究。后来看到别人推荐这一本书，下载了一个，看了感觉非常好，里面的内容写得非常规范，条理也非常清楚，英文好的朋友能够直接阅读，不然就仅仅好去弄一本翻译好的来研究了。、
我试着从Windows编程的基础開始，一直到探索建立高性能的网络应用程序。我说过，我并非以高手的身份写这本书，而是以和大家一起学习的心态学习网络编程，写书仅仅是让自己的思路更清晰，以后还能够翻阅。所以，我不保证书中全部的内容都是绝对正确和标准的，有不妥的地方，还希望高手批评指正。
这本书是全然免费的，读者能够随意使用书中的代码。可是假设须要转载，请注明原作者和出处。假设有商业运作的需求，请直接和我联系。
第二章 Windows网络编程基础
这本书主要探索Windows网络编程，开发平台是Windows 2000 和Visual C++.NET，从一个合格的C++程序猿到网络编程高手，还是须要花不少功夫，至少我觉得写一个聊天程序非常easy，而要写一个能同一时候响应成千上万用户的高性能网络程序，的确不easy。这篇文章所介绍的方法也并非能直接应用于每个详细的应用程序，仅仅能作为学习的參考资料。
开发高性能网络游戏恐怕是促使非常多程序猿研究网络编程的原因（包含我），如今的大型网络游戏对同一时候在线人数的要求比較高，真正的项目往往採取多个server（组）负荷分担的方式工作，我将首先把注意力放到单个server的情况。
大家都知道，我们用得最多的协议是UDP和TCP，UDP是不可靠传输服务，TCP是可靠传输服务。UDP就像点对点的传输数据一样，发送者把数据打包，包上有收信者的地址和其它必要信息，至于收信者能不能收到，UDP协议并不保证。而TCP协议就像(实际他们是一个层次的网络协议)是建立在UDP的基础上，增加了校验和重传等复杂的机制来保证数据可靠的传达到收信者。关于网络协议的详细内容，读者能够參考专门介绍网络协议的书籍，或者查看RFC中的有关内容。本书直接探讨编程实现网络程序的问题。
2．1 Window Socket介绍
Windows Socket是从UNIX Socket继承发展而来，最新的版本号是2.2。进行Windows网络编程，你须要在你的程序中包括WINSOCK2.H或MSWSOCK.H，同一时候你须要加入引入库WS2_32. LIB或WSOCK32.LIB。准备好后，你就能够着手建立你的第一个网络程序了。
Socket编程有堵塞和非堵塞两种，在操作系统I/O实现时又有几种模型，包含Select，WSAAsyncSelect，WSAEventSelect ，IO重叠模型，完毕port等。要学习主要的网络编程概念，能够选择从堵塞模式開始，而要开发真正有用的程序，就要进行非堵塞模式的编程（非常难想象一个大型server採用堵塞模式进行网络通信）。在选择I/O模型时，我建议刚開始学习的人能够从WSAAsyncSelect模型開始，由于它比較简单，并且有一定的有用性。可是，差点儿全部人都认识到，要开发同一时候响应成千上万用户的网络程序，完毕port模型是最好的选择。
既然完毕port模型是最好的选择，那为什么我们不直接写出一个使用完毕port的程序，然后大家稍加改动就OK了。我觉得这确实是一个好的想法，可是真正做项目的时候，不同的情况对程序有不同的要求，假设不深入学习网络编程的各方面知识，是不可能写出符合要求的程序，在学习网络编程曾经，我建议读者先学习一下网络协议。
2．2 第一个网络程序
因为server/client模式的网络应用比較多，并且server端的设计是重点和难点。所以我想首先探讨server的设计方法，在完毕server的设计后再探讨其它模式的网络程序。
设计一个主要的网络server有下面几个步骤：
1、初始化Windows Socket
2、创建一个监听的Socket
3、设置server地址信息，并将监听port绑定到这个地址上
4、開始监听
5、接受client连接
6、和client通信
7、结束服务并清理Windows Socket和相关数据，或者返回第4步
我们能够看出设计一个最简单的server并不须要太多的代码，它全然能够做一个小型的聊天程序，或进行数据的传输。可是这仅仅是我们的開始，我们的终于目的是建立一个有大规模响应能力的网络server。假设读者对操作系统部分的线程使用还有疑问，我建议你如今就開始复习，由于我们常常使用线程来提高程序性能，事实上线程就是让CPU不停的工作，而不是总在等待I/O，或者是一个CPI，累死了还是一个CPU。千万不要以为线程越多的server，它的性能就越好，线程的切换也是须要消耗时间的，对于I/O等待少的程序，线程越多性能反而越低。
以下是简单的server和client源码。（堵塞模式下的，供刚開始学习的人理解）
#include <winsock2.h>
void main(void)
{
WSADATA wsaData;
SOCKET ListeningSocket;
SOCKET NewConnection;
SOCKADDR_IN ServerAddr;
SOCKADDR_IN ClientAddr;
int Port = 5150;
// 初始化Windows Socket 2.2
WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData);
// 创建一个新的Socket来响应client的连接请求
ListeningSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
// 填写server地址信息
// port为5150
// IP地址为INADDR_ANY，注意使用htonl将IP地址转换为网络格式
ServerAddr.sin_family = AF_INET;
ServerAddr.sin_port = htons(Port);
ServerAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// 绑定监听port
bind(ListeningSocket, (SOCKADDR *)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
// 開始监听，指定最大同一时候连接数为5
listen(ListeningSocket, 5);
// 接受新的连接
NewConnection = accept(ListeningSocket, (SOCKADDR *) &ClientAddr,&ClientAddrLen));
// 新的连接建立后，就能够互相通信了，在这个简单的样例中，我们直接关闭连接，
// 并关闭监听Socket，然后退出应用程序
//
closesocket(NewConnection);
closesocket(ListeningSocket);
// 释放Windows Socket DLL的相关资源
WSACleanup();
}
# include <winsock2.h>
void main(void)
{
WSADATA wsaData;
SOCKET s;
SOCKADDR_IN ServerAddr;
int Port = 5150;
//初始化Windows Socket 2.2
WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData);
// 创建一个新的Socket来连接server
s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
// 填写client地址信息
// port为5150
// serverIP地址为"136.149.3.29"，注意使用inet_addr将IP地址转换为网络格式
ServerAddr.sin_family = AF_INET;
ServerAddr.sin_port = htons(Port);
ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("136.149.3.29");
// 向server发出连接请求
connect(s, (SOCKADDR *) &ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
// 新的连接建立后，就能够互相通信了，在这个简单的样例中，我们直接关闭连接，
// 并关闭监听Socket，然后退出应用程序
closesocket(s);
// 释放Windows Socket DLL的相关资源
WSACleanup();
}
2．3 WSAAsyncSelect模式
前面说过，Windows网络编程模式有好几种，他们各有特点，实现起来复杂程度各不同样，适用范围也不一样。下图是Network Programming for Microsoft Windows 2nd 一书中对不同模式的一个性能測试结果。server採用Pentium 4 1.7 GHz Xeon的CPU，768M内存；client有3台PC，配置各自是Pentium 2 233MHz ，128 MB 内存，Pentium 2 350 MHz ，128 MB内存，Itanium 733 MHz ，1 GB内存。
详细的结果分析大家能够看看原书中作者的叙述，我关心的是哪种模式是我须要的。首先是server，勿庸置疑，肯定是完毕port模式。那么client呢，当然也能够採用完毕port，可是不同模式是在不同的操作系统下支持的，看下图：
完毕port在Windows 98下是不支持的，尽管我们能够假定全部的用户都已经装上了Windows 2000和Windows XP,。可是，假设是商业程序，这样的想法在现阶段不应该有，我们不能让用户为了使用我们的client而去升级他的操作系统。Overlapped I/O能够在Windows 98下实现，性能也不错，可是实现和理解起来快赶上完毕port了。并且，最关键的一点，client程序不是用来进行大规模网络响应的，client的主要工作应该是进行诸如图形运算等非网络方面的任务。原书作者，包含我强烈推荐大家使用WSAAsyncSelect模式实现client，由于它实现起来比較直接和easy，并且他全然能够满足client编程的需求。
以下是一段源码，尽管我们是用它来写client，我还是把它的服务端代码放上来，一方面是有兴趣的朋友能够用他做測试和了解怎样用它实现server；还有一方面是client的代码能够非常easy的从它改动而成，不同的地方仅仅要參考一下2.1节里的代码就知道了。
#define WM_SOCKET WM_USER + 1
#include <winsock2.h>
#include <windows.h>
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine,
int nCmdShow)
{
WSADATA wsd;
SOCKET Listen;
SOCKADDR_IN InternetAddr;
HWND Window;
// 创建主窗体
Window = CreateWindow();
// 初始化Windows Socket 2.2
WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsd);
// 创建监听Socket
Listen = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
// 设置server地址
InternetAddr.sin_family = AF_INET;
InternetAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
InternetAddr.sin_port = htons(5150);
// 绑定Socket
bind(Listen, (PSOCKADDR) &InternetAddr, sizeof(InternetAddr));
// 设置Windows消息，这样当有Socket事件发生时，窗体就能收到相应的消息通知
// server一般设置 FD_ACCEPT │ FD_READ | FD_CLOSE
// client一般设置 FD_CONNECT │ FD_READ | FD_CLOSE
WSAAsyncSelect(Listen, Window, WM_SOCKET, FD_ACCEPT │ FD_READ | FD_CLOSE);
// 開始监听
listen(Listen, 5);
// Translate and dispatch window messages
// until the application terminates
while (1) {
// ...
}
}
BOOL CALLBACK ServerWinProc(HWND hDlg,UINT wMsg,
WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
SOCKET Accept;
switch(wMsg)
{
case WM_PAINT:
// Process window paint messages
break;
case WM_SOCKET:
// Determine whether an error occurred on the
// socket by using the WSAGETSELECTERROR() macro
if (WSAGETSELECTERROR(lParam))
{
// Display the error and close the socket
closesocket( (SOCKET) wParam);
break;
}
// Determine what event occurred on the
// socket
switch(WSAGETSELECTEVENT(lParam))
{
case FD_ACCEPT:
// Accept an incoming connection
Accept = accept(wParam, NULL, NULL);
// Prepare accepted socket for read,
// write, and close notification
WSAAsyncSelect(Accept, hDlg, WM_SOCKET,
FD_READ │ FD_WRITE │ FD_CLOSE);
break;
case FD_READ:
// Receive data from the socket in
// wParam
break;
case FD_WRITE:
// The socket in wParam is ready
// for sending data
break;
case FD_CLOSE:
// The connection is now closed
closesocket( (SOCKET)wParam);
break;
}
break;
}
return TRUE;
}
2．4 小节
眼下为止，我非常简要的介绍了Windows网络编程的一些东西，附上了一些源码。能够说，读者特别是刚開始学习的人，看了后不一定就能立即写出程序来，而那些代码也不是能够直接应用于实际的项目。别急，万里长征才開始第一步呢，非常多书里都是依照基础到应用的顺序来写的，可是我喜欢更直接一点，更有用一些的方式。并且，我写的这个专题，毕竟不是商业化的，时间上不能投入过多，仅仅是作为给刚開始学习的人的一个小小帮助。很多其它的还是希望读者自己刻苦研究，有问题的时候能够到我的论坛上给我留言，以后有机会我也会发布一些实际的代码。希望结交很多其它热爱编程和中国游戏事业的朋友。下一章里我将主要解说完毕port编程，这也是我写这篇文章的初衷，希望对大家能有所帮助。
第三章 完毕port模式下的高性能网络server
3．1開始
完毕port听起来好像非常神奇和复杂，事实上并没有想象的那么难。这方面的文章在论坛上能找到的我差点儿相同都看过，写得好点的就是CSDN.NET上看到的一组系列文章，只是我觉得它仅仅是简单的翻译了一下Network Programming for Microsoft Windows 2nd 中的相关内容，附上的代码好像不是原书中的，可能是还有一本外文书里的。我看了以后，觉得还不如看原版的更easy理解。所以在我的開始部分，我主要带领刚開始学习的人理解一下完毕port的有关内容，是我开发的经验，其它的请參考原书的相关内容。
採用完毕port的优点是，操作系统的内部重叠机制能够保证大量的网络请求都被server处理，而不是像WSAAsyncSelect 和WSAEventSelect的那样对并发的网络请求有限制，这一点从上一章的測试表格中能够清楚的看出。
完毕port就像一种消息通知的机制，我们创建一个线程来不断读取完毕port状态，接收到对应的完毕通知后，就进行对应的处理。事实上感觉就像WSAAsyncSelect一样，只是还是有一些的不同。比方我们想接收消息，WSAAsyncSelect会在消息到来的时候直接通知Windows消息循环，然后就能够调用WSARecv来接收消息了；而完毕port则首先调用一个WSARecv表示程序须要接收消息（这时可能还没有不论什么消息到来），可是仅仅有当消息来的时候WSARecv才算完毕，用户就能够处理消息了，然后再调用一个WSARecv表示等待下一个消息，如此不停循环，我想这就是完毕port的最大特点吧。
Per-handle Data 和 Per-I/O Operation Data 是两个比較重要的概念，Per-handle Data用来把client数据和相应的完毕通知关联起来，这样每次我们处理完毕通知的时候，就能知道它是哪个client的消息，而且能够依据client的信息作出相应的反应，我想也能够理解为Per-Client handle Data吧。Per-I/O Operation Data则不同，它记录了每次I/O通知的信息，比方接收消息时我们就能够从中读出消息的内容，也就是和I/O操作有关的信息都记录在里面了。当你亲手实现完毕port的时候就能够理解他们的不同和用途了。
CreateIoCompletionPort函数中有个參数NumberOfConcurrentThreads，完毕port编程里有个概念Worker Threads。这里比較easy引起混乱，NumberOfConcurrentThreads须要设置多少，又须要创建多少个Worker Threads才算合适？NumberOfConcurrentThreads的数目和CPU数量一样最好，由于少了就没法利用多CPU的优势，而多了则会由于线程切换造成性能下降。Worker Threads的数量是不是也要一样多呢，当然不是，它的数量取决于应用程序的须要。举例来说，我们在Worker Threads里进行消息处理，假设这个过程中有可能会造成线程堵塞，那假设我们仅仅有一个Worker Thread，我们就不能非常快响应其它client的请求了，而仅仅有当这个堵塞操作完毕了后才干继续处理下一个完毕消息。可是假设我们还有其它的Worker Thread，我们就能继续处理其它client的请求，所以究竟须要多少的Worker Thread，须要依据应用程序来定，而不是能够事先估算出来的。假设工作者线程里没有堵塞操作，对于某些情况来说，一个工作者线程就能够满足须要了。
其它问题，Network Programming for Microsoft Windows 2nd中，作者还提出了怎样安全的退出应用程序等等实现中的细节问题，这里我就不一一讲述了，请读者參考原书的相关内容，假设仍有疑问，能够联系我。
3．2实现
以下是一般的实现步骤
1. 获得计算机信息，得到CPU的数量。创建一个完毕port，第四个參数置0，指定NumberOfConcurrentThreads为CPU个数。
2. Determine how many processors exist on the system.
3. Create worker threads to service completed I/O requests on the completion port using processor information in step 2. In the case of this simple example, we create one worker thread per processor because we do not expect our threads to ever get in a suspended condition in which there would not be enough threads to execute for each processor. When the CreateThread function is called, you must supply a worker routine that the thread executes upon creation. We will discuss the worker thread‘s responsibilities later in this section.
4. Prepare a listening socket to listen for connections on port 5150.
5. Accept inbound connections using the accept function.
6. Create a data structure to represent per-handle data and save the accepted socket handle in the structure.
7. Associate the new socket handle returned from accept with the completion port by calling CreateIoCompletionPort. Pass the per-handle data structure to CreateIoCompletionPort via the completion key parameter.
8. Start processing I/O on the accepted connection. Essentially, you want to post one or more asynchronous WSARecv or WSASend requests on the new socket using the overlapped I/O mechanism. When these I/O requests complete, a worker thread services the I/O requests and continues processing future I/O requests, as we will see later in the worker routine specified in step 3.
9. Repeat steps 5–8 until server terminates.
那么学习完毕port编程从哪里開始比較好，对于刚開始学习的人而言，直接进入编程并非一个好主意，我建议刚開始学习的人首先学习用异步Socket模式，即WSAEventSelect模式构建一个简单的聊天server。当把Windows网络编程的概念有一个清晰的认识之后，再深入研究完毕port编程。
接着就是深入研究详细的编程实现了，从Network Programming for Microsoft Windows 2nd中摘录的这段经典代码能够说是很合适的，这里我仅仅简单解释一下当中比較关键的地方，还有不明确的能够參看原书，或者联系我。
主程序段:
1. HANDLE CompletionPort;
2. WSADATA wsd;
3. SYSTEM_INFO SystemInfo;
4. SOCKADDR_IN InternetAddr;
5. SOCKET Listen;
6. int i;
