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C# Socket网络通信【高并发场景】

article 2024/9/20 16:47:38

用途

在 C# 中，Socket 类是用于在网络上进行低级别通信的核心类。它提供了对 TCP、UDP 等协议的支持，可以实现服务器和客户端之间的数据传输。Socket 提供了比 TcpClient、UdpClient 等更细粒度的控制，因此通常用于需要更多控制的场景。

使用

服务器

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class Server
{
    static void Main()
    {
        // 创建 Socket
        Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        // 绑定到本地 IP 和端口
        IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);
        listener.Bind(localEndPoint);

        // 开始监听
        //服务器开始监听客户端连接，请求队列长度为 10，这意味着可以同时接受最多 10 个等待连接的客户端。
        listener.Listen(10);
        Console.WriteLine("等待客户端连接...");

        while (true) // 无限循环持续监听
        {
            // 接受客户端连接
            //会阻塞主线程，直到有客户端发起连接。这种设计确保了服务器能够同步处理每个客户端的连接。
            Socket handler = listener.Accept();
            Console.WriteLine("客户端已连接！");

            // 接收客户端发送的数据
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRec = handler.Receive(buffer);
            Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));

            // 发送响应给客户端
            byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");
            handler.Send(msg);

            // 关闭与客户端的连接
            handler.Shutdown(SocketShutdown.Both);
            handler.Close();
        }
    }
}

客户端

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class Client
{
    static void Main()
    {
        // 创建 Socket
        Socket sender = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        // 连接到服务器
        IPEndPoint remoteEP = new IPEndPoint(IPAddress.Parse("127.0.0.1"), 11000);
        sender.Connect(remoteEP);

        Console.WriteLine("已连接到服务器！");

        // 发送数据给服务器
        byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello Server!");
        sender.Send(msg);

        // 接收服务器的响应
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRec = sender.Receive(buffer);
        Console.WriteLine("服务器响应: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));

        // 关闭连接
        sender.Shutdown(SocketShutdown.Both);
        sender.Close();
    }
}

服务器：Bind/Listen/Send/Close/
客户端：Connect/Send/Receive/

高并发场景

当前的服务器示例是单线程的，它只能顺序处理一个客户端的连接。一旦接受并处理了一个客户端的请求，才会继续监听下一个客户端的连接请求。

问题：
由于服务器是单线程的，它在处理某个客户端的连接时（调用 accept、receive 等），其他客户端的连接请求会被阻塞，直到当前请求完成。这意味着服务器无法并发处理多个客户端的请求。

解决方案：
为了使服务器能够并发处理多个客户端的连接，我们可以使用多线程或异步编程。

多线程实现：

通过为每个客户端连接创建一个独立的线程，服务器可以同时处理多个客户端。这样，每个客户端的请求都会在一个单独的线程中进行处理，主线程可以继续监听新的连接请求。

下面是修改后的代码，使用多线程来处理多个客户端的连接：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;

class Server
{
    static void Main()
    {
        // 创建一个 TCP Socket
        Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        // 绑定到本地 IP 和端口
        IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);
        listener.Bind(localEndPoint);

        // 开始监听连接请求，队列长度为10
        listener.Listen(10);
        Console.WriteLine("服务器正在监听客户端连接...");

        while (true) // 无限循环持续监听
        {
            // 接受客户端连接
            Socket handler = listener.Accept();
            Console.WriteLine("客户端已连接！");

            // 为每个客户端连接创建一个新线程
            Thread clientThread = new Thread(() => HandleClient(handler));
            clientThread.Start();
        }
    }

    // 处理客户端连接的逻辑
    static void HandleClient(Socket clientSocket)
    {
        try
        {
            // 接收客户端发送的数据
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRec = clientSocket.Receive(buffer);
            Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));

            // 发送响应给客户端
            byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");
            clientSocket.Send(msg);
        }
        finally
        {
            // 关闭与客户端的连接
            clientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
            clientSocket.Close();
        }
    }
}

在每次有新的客户端连接时，服务器会调用 listener.Accept() 接受连接，然后为这个连接创建一个新的线程。
新线程会执行 HandleClient 方法，在该方法中处理客户端的通信（接收消息、发送响应等）。
并发处理：

服务器主线程通过 while (true) 持续监听客户端的连接请求。
每次有客户端连接时，服务器会创建一个新的线程处理该连接，这样主线程不会被阻塞，可以继续接受其他客户端的连接请求。
线程处理客户端：
HandleClient 方法会在线程中执行，处理特定客户端的通信。
在该线程中，服务器接收客户端的数据并发送响应，最后关闭连接。
多线程的优缺点：

  • 优点：
    • 能够同时处理多个客户端的连接，提升服务器的并发能力。
    • 每个客户端的请求处理相互独立，不会因为某个客户端的处理时间过长而阻塞其他客户端的连接。
  • 缺点：
    • 每个客户端连接都创建一个新线程，随着客户端数量的增加，可能会消耗大量的系统资源（如 CPU 和内存）。
    • 线程的创建和销毁是有开销的，在高并发场景下，可能不够高效。

异步编程实现：

在 C# 中，还可以使用异步编程（async/await）来处理多个客户端的连接，避免创建大量线程。异步方法允许服务器在等待 I/O 操作（如 Receive、Send）完成时，不会阻塞主线程，具有更好的扩展性。

异步服务器示例：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

class Server
{
    static async Task Main()
    {
        // 创建一个 TCP Socket
        Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        // 绑定到本地 IP 和端口
        IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);
        listener.Bind(localEndPoint);

        // 开始监听连接请求，队列长度为10
        listener.Listen(10);
        Console.WriteLine("服务器正在监听客户端连接...");

        while (true)
        {
            // 异步接受客户端连接
            Socket handler = await Task.Factory.FromAsync(listener.BeginAccept, listener.EndAccept, null);
            Console.WriteLine("客户端已连接！");

            // 异步处理客户端连接
            _ = Task.Run(() => HandleClient(handler));
        }
    }

    // 处理客户端连接的逻辑
    static async Task HandleClient(Socket clientSocket)
    {
        try
        {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            // 异步接收客户端发送的数据
            int bytesRec = await Task.Factory.FromAsync(
                clientSocket.BeginReceive(buffer, 0, buffer.Length, SocketFlags.None, null, null),
                clientSocket.EndReceive);

            Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));

            // 异步发送响应给客户端
            byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");
            await Task.Factory.FromAsync(
                clientSocket.BeginSend(msg, 0, msg.Length, SocketFlags.None, null, null),
                clientSocket.EndSend);
        }
        finally
        {
            // 关闭与客户端的连接
            clientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
            clientSocket.Close();
        }
    }
}

异步编程的优缺点：

  • 优点：
    • 异步编程模型更高效，因为它不需要为每个客户端连接创建新的线程。【而是通过申请线程池中的线程来完成任务】
    • 能够处理大量并发请求而不会消耗太多系统资源。
  • 缺点：
    • 代码复杂度较高，需要熟悉异步编程模型和 async/await 语法。

总结：

  • 单线程：示例中初始的服务器是单线程的，只能顺序处理一个客户端的连接请求。无法并发处理多个客户端。
  • 多线程：可以通过为每个客户端连接创建一个新线程来实现并发处理，能够处理多个客户端，但线程的创建和销毁有开销。
  • 异步编程：通过异步方法来处理客户端连接，在处理 I/O 操作时不会阻塞线程，能够处理大量并发请求，且资源消耗较低。

如果你的服务器需要处理大量并发请求，异步编程模型可能是更优的选择。如果并发量较小，多线程方式也是一个有效的方案。


http://www.kler.cn/news/312067.html

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