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浅谈C#网络编程详解篇

阅读目录：

基础
Socket编程
多线程并发
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。

异步IO
上篇提到用多线程处理多个阻塞同步IO而实现并发服务端，这种模式在连接数量比较小的时候非常适合，一旦连接过多，性能会急速下降。 在大多数服务端网络软件中会采用一种异步IO的方式来提高性能。

同步IO方式：连接Receive请求->等待->等待->接收成功
异步IO方式：连接Receive请求->立即返回->事件或回调通知
采用异步IO方式，意味着单线程可以处理多个请求了，连接发起一个Receive请求后，当前线程可以立即去做别的事情，当数据接收完毕通知线程处理即可。
其数据接收分2部分：

数据从别的机器发送内核缓冲区
内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
第二部分示例代码：

byte[] msg = new byte[256]; socket.Receive(msg);

介绍这2部分的目的是方便区分其他几种方式。 对于用户程序来说，同步IO和异步IO的区别在于第二部分是否需要等待。

非阻塞式同步IO
非阻塞式同步IO，由同步IO延伸出来，把这个名词拆分成2部分描述：

  • 非阻塞式，指的是上节"数据从别的机器发送内核缓冲区"部分是非阻塞的。
  • 同步IO，指的是上节"内核缓冲区拷贝到用户缓冲区"部分是等待的。

既然是第一部分是非阻塞的，那就需要一种方法得知什么时候内核缓冲区是OK的。 设置非阻塞模式后，在连接调用Receive方法时，会立即返回一个标记，告知用户程序内核缓存区有没有数据，如果有数据开始进行第二部分操作，从内核缓冲区拷贝到用户程序缓冲区。 由于系统会返回个标记，那可以通过轮询方式来判断内核缓冲区是否OK。

设置非阻塞模式参考代码：

SocketInformation sif=new SocketInformation();
sif.Options=SocketInformationOptions.NonBlocking;
sif.ProtocolInformation = new byte[24];
Socket socket = new Socket(sif);

轮询参考代码：

while(true) 
{
byte[] msg = new byte[256];
var temp = socket.Receive(msg);
if (temp=="OK"){
//do something
}else{ continue }
}

这种方式近乎淘汰了，了解即可。

基于回调的异步IO
上面介绍过：

异步IO方式：连接Receive请求->立即返回->事件或回调通知
当回调到执行时，数据已经在用户程序缓冲区已经准备好了，在回调代码中对这部分数据进行相应的逻辑即可。

发出接收请求：

static byte[] msg = new byte[256]; 
var temp = socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(ReadCallback), socket);

回调函数中对数据做处理：

public static void ReadCallback(IAsyncResult ar) 
{ 
var socket = (Socket)ar.AsyncState;
 int read = socket.EndReceive(ar);
DoSomething(msg); 
socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(Read_Callback), socket);
}

当回调函数执行时，表示数据已经准备好，需要先结束接收请求EndReceive，以便第二次发出接收请求。 在服务端程序中要处理多个客户端的接收，再次发出BeginReceive接收数据请求即可。

这里的回调函数是在另外一个线程的触发，必要时要对数据加锁防止数据竞争：

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

针对C#网络编程的介绍就到这了，具体的大家可以查看菜鸟教程(cainiaojc.com)之前发布的文章。

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