浅谈C#网络编程(一)

阅读目录：

1. 基础
2. Socket编程
3. 多线程并发
4. 阻塞式同步IO

基础

在现今软件开发中，网络编程是非常重要的一部分，本文简要介绍下网络编程的概念和实践。
Socket是一种网络编程接口，它是对传输层TCP、UDP通信协议的一层封装，通过友好的API暴露出去，方便在进程或多台机器间进行网络通信。

Socket编程

在网络编程中分客户端和服务端两种角色，比如通过打开浏览器访问到挂在Web软件上的网页，从程序角度上来看，即客户端(浏览器)发起了一个Socket请求到服务器端，服务器把网页内容返回到浏览器解析后展示。在客户端和服务端数据通信前，会进行三次确认才会正式建立连接，也即是三次握手。

1. 客户端发送消息询问服务端是否准备好
2. 服务端回应我准备好了，你呢准备好了吗
3. 客户端回应服务端我也准备好了，可以通信了

TCP/IP协议是网络间通信的基础协议，在不同编程语言及不同操作系统下暴露的Socket接口用法也大同小异，仅是其内部实现有所不同，比如Linux下的epoll和windows下的IOCP。

服务端

• 实例化Socket
• 把公共地址端口绑定操作系统上
• 开始监听绑定的端口
• 等待客户端连接

            IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 6389);
            Socket listenSocket = new Socket(ip.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
            listenSocket.Bind(ip);
            listenSocket.Listen(100);
            listenSocket.Accept();

listen函数中有个int类型参数，它表示最大等待处理连接的数量，表示已建立连接但还未处理的数量，每调用Accept函数一下即从这个等待队列中拿出一个连接。 通常服务端要服务多个客户端请求的连接，所以会循环从等待队列中拿出连接，进行接收发送。 

   while (true) 
            { 
                var accept= listenSocket.Accept();
                accept.Receive(); 
                accept.Send(); 
            }

多线程并发

上面的服务端程序处理接收和发送消息都是在当前线程下完成的，这意味着要处理完一个客户端连接后才能去处理下一个连接，如果当前连接是进行数据库或者文件读取写入等IO操作，那会极大浪费服务器的CPU资源，降低了服务器吞吐量。

            while (true)
            {
                var accept = listenSocket.Accept();
                ThreadPool.QueueUserWorkItem((obj) =>
                {
                    byte[] receive = new byte[100];
                    accept.Receive(receive);
                    byte[] send = new byte[100];
                    accept.Send(receive);
                });
            }

如例子中，当监听到有新连接请求过来时，调用Accept()取出当前连接的socket，使用新的线程去处理接收和发送信息，这样服务端就能实现并发处理多个客户端了。 上述代码中，在高并发下其实是有问题的，如果客户端连接请求成千上万个，那线程数量也会有这么多，每个线程的栈空间都需要消耗部分内存，再加上线程上下文切换，容易导致服务器负载过高，吞吐量大大下降，严重时会引起宕机。 当前例子中使用系统ThreadPool的话，线程数量会固定在一个数量上，默认是1000，不会无限制开线程，会把处理超出线程数量的请求放到线程池中的队列上面。

在unix下类似的实现有2种：

fork一个新进程去处理客户端的连接：

var connfd = Accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&cliaddr_len); 
var m = fork(); 
if(m == 0) 
{
 //do something 
} 

创建一个新的线程处理限流：

var *clientsockfd = accept(serversockfd,(struct sockaddr *)&clientaddress, (socklent *)&clientlen);
 if(pthreadcreate(&thread, NULL, recdata, clientsockfd)!=0) 
{ //do something 
}

阻塞式同步IO

上述例子中使用的即是该模型，使用起来简单方便。 

    while (true)
            {
                var accept = listenSocket.Accept();
                byte[] receive = new byte[100];
                accept.Receive(receive);
                byte[] send = new byte[100];
                accept.Send(receive);
            }

从调用Receive函数起到接受到客户端发过来的数据期间，该函数会一直阻塞等待着，这个阻塞期间处理流程如下：

1. 客户端发送数据
2. 通过广域网局域网发送到服务端机器网卡缓冲区上
3. 网卡驱动对CPU发送中断指令
4. CPU把数据拷贝到内核缓冲区
5. CPU再把内核缓冲区的数据拷贝用户缓冲区，上面的receive字节数组。

至此处理成功，开始处理下一个连接请求。 调用发送函数同样会阻塞在当前，然后把用户缓冲区(send字节数组)数据拷贝到内核中TCP发送缓冲区中。 TCP的发送缓冲区也有一定的大小限制，如果发送的数据大于该限制，send函数会一直等待发送缓冲区有空闲时完全拷贝完才会返回，继续处理后续连接请求。