[转载]WinSock2编程之打造完整的SOCKET池
转自: http://gamebabyrocksun.blog.163.com/blog/static/571534632010115104634310/
在Winodows平台上，网络编程的主要接口就是WinSock，目前大多数的 Windows平台上的WinSock平台已经升级到2.0版，简称为WinSock2。在WinSock2中扩展了很多很有用的Windows味很浓的 SOCKET专用API，为Windows平台用户提供高性能的网络编程支持。这些函数中的大多数已经不再是标准的“Berkeley”套接字模型的 API了。使用这些函数的代价就是你不能再将你的网络程序轻松的移植到“尤里平台”（我给Unix +Linux平台的简称）下，反过来因为Windows平台支持标准的“Berkeley”套接字模型，所以你可以将大多数尤里平台下的网络应用移植到 Windows平台下。
如果不考虑可移植性（或者所谓的跨平台性），而是着重于应用的性能时，尤其是注重服务器性能 时，对于Windows的程序，都鼓励使用WinSock2扩展的一些API，更鼓励使用IOCP模型，因为这个模型是目前Windows平台上比较完美 的一个高性能IO编程模型，它不但适用于SOCKET编程，还适用于读写硬盘文件，读写和管理命名管道、邮槽等等。如果再结合Windows线程 池，IOCP几乎可以利用当今硬件所有可能的新特性（比如多核，DMA，高速总线等等），本身具有先天的扩展性和可用性。
今天讨论的重点就是SOCKET池。很多VC程序员也许对SOCKET池很陌生，也有些可能很熟悉，那么这里就先讨论下这个概念。
在Windows平台上SOCKET实际上被视作一个内核对象的句柄，很多Windows API在支持传统的HANDLE参数的同时也支持SOCKET，比如有名的CreateIoCompletionPort就支持将SOCKET句柄代替 HANDLE参数传入并调用。熟悉Windows内核原理的读者，立刻就会发现，这样的话，我们创建和销毁一个SOCKET句柄，实际就是在系统内部创建 了一个内核对象，对于Windows来说这牵扯到从Ring3层到Ring0层的耗时操作，再加上复杂的安全审核机制，实际创建和销毁一个SOCKET内 核对象的成本还是蛮高的。尤其对于一些面向连接的SOCKET应用，服务端往往要管理n多个代表客户端通信的SOCKET对象，而且因为客户的变动性，主 要面临的大量操作除了一般的收发数据，剩下的就是不断创建和销毁SOCKET句柄，对于一个频繁接入和断开的服务器应用来说，创建和销毁SOCKET的性 能代价立刻就会体现出来，典型的例如WEB服务器程序，就是一个需要频繁创建和销毁SOCKET句柄的SOCKET应用。这种情况下我们通常都希望对于断 开的SOCKET对象，不是简单的“销毁”了之（很多时候“断开”的含义不一定就等价于“销毁”，可以仔细思考一下），更多时候希望能够重用这个 SOCKET对象，这样我们甚至可以事先创建一批SOCKET对象组成一个“池”，在需要的时候“重用”其中的SOCKET对象，不需要的时候将 SOCKET对象重新丢入池中即可，这样就省去了频繁创建销毁SOCKET对象的性能损失。在原始的“Berkeley”套接字模型中，想做到这点是没有 什么办法的。而幸运的是在Windows平台上，尤其是支持WinSock2的平台上，已经提供了一套完整的API接口用于支持SOCKET池。
对于符合以上要求的SOCKET池，首先需要做到的就是对SOCKET句柄的“回收”，因为创 建函数无论在那个平台上都是现成的，而最早能够实现这个功能的WinSock函数就是TransmitFile，如果代替closesocket函数像下 面这样调用就可以“回收”一个SOCKET句柄，而不是销毁：（注意“回收”这个功能对于TransmitFile函数来说只是个“副业”。）
TransmitFile(hSocket,NULL,0,0,NULL,NULL,TF_DISCONNECT | TF_REUSE_SOCKET );
注意上面函数的最后一个参数，使用了标志TF_DISCONNECT和 TF_REUSE_SOCKET，第一个值表示断开，第二个值则明确的表示“重用”实际上也就是回收这个SOCKET，经过这个处理的SOCKET句柄， 就可以直接再用于connect等操作，但是此时我们会发现，这个回收来的SOCKET似乎没什么用，因为其他套接字函数没法直接利用这个回收来的 SOCKET句柄。
这时就要WinSock2的一组专用API上场了。我将它们按传统意义上的服务端和客户端分为两组：
一、 服务端：
SOCKET WSASocket(
__in int af,
__in int type,
__in int protocol,
__in LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
__in GROUP g,
__in DWORD dwFlags
);
BOOL AcceptEx(
__in SOCKET sListenSocket,
__in SOCKET sAcceptSocket,
__in PVOID lpOutputBuffer,
__in DWORD dwReceiveDataLength,
__in DWORD dwLocalAddressLength,
__in DWORD dwRemoteAddressLength,
__out LPDWORD lpdwBytesReceived,
__in LPOVERLAPPED lpOverlapped
);
BOOL DisconnectEx(
__in SOCKET hSocket,
__in LPOVERLAPPED lpOverlapped,
__in DWORD dwFlags,
__in DWORD reserved
);
二、 客户端：
SOCKET WSASocket(
__in int af,
__in int type,
__in int protocol,
__in LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,
__in GROUP g,
__in DWORD dwFlags
);
BOOL PASCAL ConnectEx(
__in SOCKET s,
__in const struct sockaddr* name,
__in int namelen,
__in_opt PVOID lpSendBuffer,
__in DWORD dwSendDataLength,
__out LPDWORD lpdwBytesSent,
__in LPOVERLAPPED lpOverlapped
);
BOOL DisconnectEx(
__in SOCKET hSocket,
__in LPOVERLAPPED lpOverlapped,
__in DWORD dwFlags,
__in DWORD reserved
);
注意观察这些函数，似乎和传统的“Berkeley”套接字模型中的一些函数“大同小异”，其实仔细观察他们的参数，就已经可以发现一些调用他们的“玄机”了。
首先我们来看AcceptEx函数，与accept函数不同，它需要两个SOCKET句柄作为 参数，头一个参数的含义与accept函数的相同，而第二个参数的意思就是accept函数返回的那个代表与客户端通信的SOCKET句柄，在传统的 accept内部，实际在返回那个代表客户端的SOCKET时，是在内部调用了一个SOCKET的创建动作，先创建这个SOCKET然后再 “accept”让它变成代表客户端连接的SOCKET，而AcceptEx函数就在这里“扩展”（实际上是“阉割”才对）accept函数，省去了内部 那个明显的创建SOCKET的动作，而将这个创建动作交给最终的调用者自己来实现。AcceptEx要求调用者创建好那个sAcceptSocket句柄 然后传进去，这时我们立刻发现，我们回收的那个SOCKET是不是也可以传入呢？答案是肯定的，我们就是可以利用这个函数传入那个“回收”来的 SOCKET句柄，最终实现服务端的SOCKET重用。
这里需要注意的就是，AcceptEx函数必须工作在非阻塞的IOCP模型下，同时即使 AcceptEx函数返回了，也不代表客户端连接进来或者连接成功了，我们必须依靠它的“完成通知”才能知道这个事实，这也是AcceptEx函数区别于 accept这个阻塞方式函数的最大之处。通常可以利用AcceptEx的非阻塞特性和IOCP模型的优点，一次可以“预先”发出成千上万个 AcceptEx调用，“等待”客户端的连接。对于习惯了accept阻塞方式的程序员来说，理解AcceptEx的工作方式还是需要费一些周折的。下面 的例子就演示了如何一次调用多个AcceptEx：
//批量创建SOCKET，并调用对应的AcceptEx
for(UINT i = 0; i < 1000; i++)
{//调用1000次
//创建与客户端通讯的SOCKET，注意SOCKET的创建方式
skAccept = ::WSASocket(AF_INET,
SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP,
NULL,
0,
WSA_FLAG_OVERLAPPED);
if (INVALID_SOCKET == skAccept)
{
throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
}
//创建一个自定义的OVERLAPPED扩展结构，使用IOCP方式调用
pAcceptOL = new CGRSOverlappedData(GRS_OP_ACCEPT
,this,skAccept,NULL);
pAddrBuf = pAcceptOL->GetAddrBuf();
//4、发出AcceptEx调用
//注意将AcceptEx函数接收连接数据缓冲的大小设定成了0，这将导致此函数立即返回，虽然与
//不设定成0的方式而言，这导致了一个较低下的效率，但是这样提高了安全性，所以这种效率
//牺牲是必须的
if(!AcceptEx(m_skServer,
skAccept,
pAddrBuf->m_pBuf,
0,//将接收缓冲置为0,令AcceptEx直接返回,防止拒绝服务攻击
GRS_ADDRBUF_SIZE,
GRS_ADDRBUF_SIZE,
NULL,
(LPOVERLAPPED)pAcceptOL))
{
int iError = WSAGetLastError();
if( ERROR_IO_PENDING != iError
&& WSAECONNRESET != iError )
{
if(INVALID_SOCKET != skAccept)
{
::closesocket(skAccept);
skAccept = INVALID_SOCKET;
}
if( NULL != pAcceptOL)
{
GRS_ISVALID(pAcceptOL,sizeof(CGRSOverlappedData));
delete pAcceptOL;
pAcceptOL = NULL;
}
}
}
}
以上的例子只是简单的演示了AcceptEx的调用，还没有涉及到真正的“回收重用”这个主题，那么下面的例子就演示了如何重用一个SOCKET句柄：
if(INVALID_SOCKET == skClient)
{
throw CGRSException(_T("SOCKET句柄是无效的！"));
}
OnPreDisconnected(skClient,pUseData,0);
CGRSOverlappedData*pData
= new GRSOverlappedData(GRS_OP_DISCONNECTEX
,this,skClient,pUseData);
//回收而不是关闭后再创建大大提高了服务器的性能
DisconnectEx(skClient,&pData->m_ol,TF_REUSE_SOCKET,0);
......
//在接收到DisconnectEx函数的完成通知之后，我们就可以重用这个SOCKET了
CGRSAddrbuf*pBuf = NULL;
pNewOL = new CGRSOverlappedData(GRS_OP_ACCEPT
,this,skClient,pUseData);
pBuf = pNewOL->GetAddrBuf();
//把这个回收的SOCKET重新丢进连接池
if(!AcceptEx(m_skServer,skClient,pBuf->m_pBuf,
0,//将接收缓冲置为0,令AcceptEx直接返回,防止拒绝服务攻击
GRS_ADDRBUF_SIZE, GRS_ADDRBUF_SIZE,
NULL,(LPOVERLAPPED)pNewOL))
{
int iError = WSAGetLastError();
if( ERROR_IO_PENDING != iError
&& WSAECONNRESET != iError )
{
throw CGRSException((DWORD)iError);
}
}
//注意在这个SOCKET被重新利用后，重新与IOCP绑定一下，该操作会返回一个已设置的错误，这个错误直接被忽略即可
::BindIoCompletionCallback((HANDLE)skClient
,Server_IOCPThread, 0);
至此回收重用SOCKET的工作也就结束了，以上的过程实际理解了IOCP之后就比较好理解 了，例子的最后我们使用了BindIoCompletionCallback函数重新将SOCKET丢进了IOCP线程池中，实际还可以再次使用 CreateIoCompletionPort函数达到同样的效果，这里列出这一步就是告诉大家，不要忘了再次绑定一下完成端口和SOCKET。
对于客户端来说，可以使用ConnectEx函数来代替connect函数，与AcceptEx函数相同，ConnectEx函数也是以非阻塞的 IOCP方式工作的，唯一要注意的就是在WSASocket调用之后，在ConnectEx之前要调用一下bind函数，将SOCKET提前绑定到一个本 地地址端口上，当然回收重用之后，就无需再次绑定了，这也是ConnectEx较之connect函数高效的地方之一。
与AcceptEx函数类似，也可以一次发出成千上万个ConnectEx函数的调用，可以连接到不同的服务器，也可以连接到相同的服务器，连接到不同的服务器时，只需提供不同的sockaddr即可。
通过上面的例子和讲解，大家应该对SOCKET池概念以及实际的应用有个大概的了解了，当然核心仍然是理解了IOCP模型，否则还是寸步难行。
在上面的例子中，回收SOCKET句柄主要使用了DisconnectEx函数，而不是之前介 绍的TransmitFile函数，为什么呢？因为TransmitFile函数在一些情况下会造成死锁，无法正常回收SOCKET，毕竟不是专业的回收 重用SOCKET函数，我就遇到过好几次死锁，最后偶然的发现了DisconnectEx函数这个专用的回收函数，调用之后发现比 TransmitFile专业多了，而且不管怎样都不会死锁。
最后需要补充的就是这几个函数的调用方式，不能像传统的SOCKET API那样直接调用它们，而需要使用一种间接的方式来调用，尤其是AcceptEx和DisconnectEx函数，下面给出了一个例子类，用于演示如何动态载入这些函数并调用之：
class CGRSMsSockFun
{
public:
CGRSMsSockFun(SOCKET skTemp = INVALID_SOCKET)
{
if( INVALID_SOCKET != skTemp )
{
LoadAllFun(skTemp);
}
}
public:
virtual ~CGRSMsSockFun(void)
{
}
protected:
BOOL LoadWSAFun(SOCKET& skTemp,GUID&funGuid,void*&pFun)
{
DWORD dwBytes = 0;
BOOL bRet = TRUE;
pFun = NULL;
BOOL bCreateSocket = FALSE;
try
{
if(INVALID_SOCKET == skTemp)
{
skTemp = ::WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
bCreateSocket = (skTemp != INVALID_SOCKET);
}
if(INVALID_SOCKET == skTemp)
{
throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
}
if(SOCKET_ERROR == ::WSAIoctl(skTemp,
SIO_GET_EXTENSION_FUNCTION_POINTER,
&funGuid,sizeof(funGuid),
&pFun,sizeof(pFun),&dwBytes,NULL,
NULL))
{
pFun = NULL;
throw CGRSException((DWORD)WSAGetLastError());
}
}
catch(CGRSException& e)
{
if(bCreateSocket)
{
::closesocket(skTemp);
}
}
return NULL != pFun;
}
protected:
LPFN_ACCEPTEX m_pfnAcceptEx;
LPFN_CONNECTEX m_pfnConnectEx;
LPFN_DISCONNECTEX m_pfnDisconnectEx;
LPFN_GETACCEPTEXSOCKADDRS m_pfnGetAcceptExSockaddrs;
LPFN_TRANSMITFILE m_pfnTransmitfile;
LPFN_TRANSMITPACKETS m_pfnTransmitPackets;
LPFN_WSARECVMSG m_pfnWSARecvMsg;
protected:
BOOL LoadAcceptExFun(SOCKET &skTemp)
{
GUID GuidAcceptEx = WSAID_ACCEPTEX;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidAcceptEx
,(void*&)m_pfnAcceptEx);
}
BOOL LoadConnectExFun(SOCKET &skTemp)
{
GUID GuidAcceptEx = WSAID_CONNECTEX;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidAcceptEx
,(void*&)m_pfnConnectEx);
}
BOOL LoadDisconnectExFun(SOCKET&skTemp)
{
GUID GuidDisconnectEx = WSAID_DISCONNECTEX;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidDisconnectEx
,(void*&)m_pfnDisconnectEx);
}
BOOL LoadGetAcceptExSockaddrsFun(SOCKET &skTemp)
{
GUID GuidGetAcceptExSockaddrs
= WSAID_GETACCEPTEXSOCKADDRS;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidGetAcceptExSockaddrs
,(void*&)m_pfnGetAcceptExSockaddrs);
}
BOOL LoadTransmitFileFun(SOCKET&skTemp)
{
GUID GuidTransmitFile = WSAID_TRANSMITFILE;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitFile
,(void*&)m_pfnTransmitfile);
}
BOOL LoadTransmitPacketsFun(SOCKET&skTemp)
{
GUID GuidTransmitPackets = WSAID_TRANSMITPACKETS;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitPackets
,(void*&)m_pfnTransmitPackets);
}
BOOL LoadWSARecvMsgFun(SOCKET&skTemp)
{
GUID GuidTransmitPackets = WSAID_TRANSMITPACKETS;
return LoadWSAFun(skTemp,GuidTransmitPackets
,(void*&)m_pfnWSARecvMsg);
}
public:
BOOL LoadAllFun(SOCKET skTemp)
{//注意这个地方的调用顺序，是根据服务器的需要，并结合了表达式副作用
//而特意安排的调用顺序
return (LoadAcceptExFun(skTemp) &&
LoadGetAcceptExSockaddrsFun(skTemp) &&
LoadTransmitFileFun(skTemp) &&
LoadTransmitPacketsFun(skTemp) &&
LoadDisconnectExFun(skTemp) &&
LoadConnectExFun(skTemp) &&
LoadWSARecvMsgFun(skTemp));
}
public:
GRS_FORCEINLINE BOOL AcceptEx (
SOCKET sListenSocket,
SOCKET sAcceptSocket,
PVOID lpOutputBuffer,
DWORD dwReceiveDataLength,
DWORD dwLocalAddressLength,
DWORD dwRemoteAddressLength,
LPDWORD lpdwBytesReceived,
LPOVERLAPPED lpOverlapped
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnAcceptEx);
return m_pfnAcceptEx(sListenSocket,
sAcceptSocket,lpOutputBuffer,
dwReceiveDataLength,dwLocalAddressLength,
dwRemoteAddressLength,lpdwBytesReceived,
lpOverlapped);
}
GRS_FORCEINLINE BOOL ConnectEx(
SOCKET s,const struct sockaddr FAR *name,
int namelen,PVOID lpSendBuffer,
DWORD dwSendDataLength,LPDWORD lpdwBytesSent,
LPOVERLAPPED lpOverlapped
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnConnectEx);
return m_pfnConnectEx(
s,name,namelen,lpSendBuffer,
dwSendDataLength,lpdwBytesSent,
lpOverlapped
);
}
GRS_FORCEINLINE BOOL DisconnectEx(
SOCKET s,LPOVERLAPPED lpOverlapped,
DWORD dwFlags,DWORD dwReserved
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnDisconnectEx);
return m_pfnDisconnectEx(s,
lpOverlapped,dwFlags,dwReserved);
}
GRS_FORCEINLINE VOID GetAcceptExSockaddrs (
PVOID lpOutputBuffer,
DWORD dwReceiveDataLength,
DWORD dwLocalAddressLength,
DWORD dwRemoteAddressLength,
sockaddr **LocalSockaddr,
LPINT LocalSockaddrLength,
sockaddr **RemoteSockaddr,
LPINT RemoteSockaddrLength
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnGetAcceptExSockaddrs);
return m_pfnGetAcceptExSockaddrs(
lpOutputBuffer,dwReceiveDataLength,
dwLocalAddressLength,dwRemoteAddressLength,
LocalSockaddr,LocalSockaddrLength,
RemoteSockaddr,RemoteSockaddrLength
);
}
GRS_FORCEINLINE BOOL TransmitFile(
SOCKET hSocket,HANDLE hFile,
DWORD nNumberOfBytesToWrite,
DWORD nNumberOfBytesPerSend,
LPOVERLAPPED lpOverlapped,
LPTRANSMIT_FILE_BUFFERS lpTransmitBuffers,
DWORD dwReserved
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnTransmitfile);
return m_pfnTransmitfile(
hSocket,hFile,nNumberOfBytesToWrite,
nNumberOfBytesPerSend,lpOverlapped,
lpTransmitBuffers,dwReserved
);
}
GRS_FORCEINLINE BOOL TransmitPackets(
SOCKET hSocket,
LPTRANSMIT_PACKETS_ELEMENT lpPacketArray,
DWORD nElementCount,DWORD nSendSize,
LPOVERLAPPED lpOverlapped,DWORD dwFlags
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnTransmitPackets);
return m_pfnTransmitPackets(
hSocket,lpPacketArray,nElementCount,
nSendSize,lpOverlapped,dwFlags
);
}
GRS_FORCEINLINE INT WSARecvMsg(
SOCKET s,LPWSAMSG lpMsg,
LPDWORD lpdwNumberOfBytesRecvd,
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
)
{
GRS_ASSERT(NULL != m_pfnWSARecvMsg);
return m_pfnWSARecvMsg(
s,lpMsg,lpdwNumberOfBytesRecvd,
lpOverlapped,lpCompletionRoutine
);
}
/*WSAID_ACCEPTEX
WSAID_CONNECTEX
WSAID_DISCONNECTEX
WSAID_GETACCEPTEXSOCKADDRS
WSAID_TRANSMITFILE
WSAID_TRANSMITPACKETS
WSAID_WSARECVMSG
WSAID_WSASENDMSG */
};
这个类的使用非常简单，只需要声明一个类的对象，然后调用其成员AcceptEx、 DisconnectEx函数等即可，参数与这些函数的MSDN声明方式完全相同，除了本文中介绍的这些函数外，这个类还包含了很多其他的 Winsock2函数，那么都应该按照这个类中演示的这样来动态载入后再行调用，如果无法载入通常说明你的环境中没有Winsock2函数库，或者是你初 始化的不是2.0版的Winsock环境。
这个类是本人完整类库的一部分，如要使用需要自行修改一些地方，如果不知如何修改或遇到什么问 题，可以直接跟帖说明，我会不定期回答大家的问题，这个类可以免费使用、分发、修改，可以用于任何商业目的，但是对于使用后引起的任何问题，本人概不负 责，有问题请跟帖。关于AcceptEx以及其他一些函数，包括本文中没有介绍到得函数，我会在后续的一些专题文章中进行详细深入的介绍，敬请期待。如果 你有什么疑问，或者想要了解什么也请跟帖说明，我会在后面的文章中尽量说明。
