《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 21：异步通知 I/O 模型

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 21：异步通知 I/O 模型

同步与异步

同步

同步指的是任务按照顺序执行，一个任务必须等待前一个任务完成后才能继续。换句话说，在进行同步操作时，程序会阻塞在某个操作上，直到该操作完成后才会继续往下执行。

同步方式的数据 I/O：

可以通过下图解析上述两句话的含义：

异步

异步是指任务并行执行，程序发起一个操作后不等待其完成，而是继续执行其他任务。程序可以在等待操作完成的同时执行其他操作，最终通过回调、事件、信号等方式获取操作结果。

异步 I/O 是指 I/O 函数的返回时刻与数据接收的完成时刻不一致。

对比

同步 I/O 的缺点

进行 I/O 的过程中函数无法返回，所以不能执行其他任务。

异步 I/O 的优点

无论数据是否完成交换都返回函数，这就意味着可以执行其他任务。

异步方式能够比同步方式更有效使用 CPU。

理解异步通知 I/O 模型

通知 I/O 的含义：

顾名思义，通知 I/O 是指发生了I/O相关的特定情况。典型的通知 I/O 模型是 select 方式，但这种通知是以同步方式进行的，原因在于，需要 I/O 或可以进行 I/O 的时间点（简言之就是 I/O 相关事件发生的时间点）与 select 函数的返回时间点一致。

异步通知 I/O 模型意为通知 I/O 是以异步方式工作的。与“select 函数只在需要或可以进行 I/O 的情况下返回”不同，异步通知 I/O 模型中函数的返回与 I/O 状态无关。

本章的 WSAEventSelect 函数就是 select 函数的差异版本。

可能有人疑问：“既然函数的返回与I/O状态无关，那是否需要监视 I/O 状态变化？”

当然需要！异步通知 I/O 中，指定 I/O 监视对象的函数和实际验证状态变化的函数是相互分离的。因此，指定监视对象后可以离开执行其他任务，最后再回来验证状态变化。

实现异步通知 I/O 模型

异步通知 I/O 模型的实现方法有 2 种：一种是稍后介绍的 WSAEventSelect 函数，第二种是使用 WSAAsyncSelect 函数，第二种方法是 UI 相关内容，不进行介绍，需要了解可自行查阅资料。

WSAEventSelect 函数和通知

如前所述，告知 I/O 状态变化的操作就是“通知”。I/O的状态变化可以分为不同情况：

• 套接字的状态变化：套接字的I/O状态变化。
• 发生套接字相关事件：发生套接字I/O相关事件。

这 2 种情况都意味着发生了需要或可以进行 I/O 的事件，我将根据上下文适当混用这些概念。

WSAEventSelect 是 Windows Sockets API（Winsock）中的一个函数，用于将一个 Windows 事件对象与一个套接字（socket）关联，以便在套接字状态发生变化时获得通知。这个函数常用于异步网络编程，特别是在处理多个套接字时。

#include<winsock2.h>

int WSAEventSelect(SOCKET s,
				   HANDLE hEvent,
				   long lNetworkEvents
);

参数：

• s：监视对象的套接字句柄。
• hEventObject：传递事件对象句柄以验证事件发生与否。
• INetworkEvents：希望监视的事件类型信息。

成功时返回 0，失败时返回 SOCKET_ERROR。

传入参数 s 的套接字内只要发生 INetworkEvents 中指定的事件之一，WSAEventSelect 函数就将 hEventObject 句柄所指内核对象改为 signaled 状态。因此，该函数又称“连接事件对象和套接字的函数”。该函数以异步通知方式工作。无论事件发生与否，WSAEventSelect 函数调用后都会直接返回。

下面介绍作为该函数第三个参数的事件类型信息，可以通过位或运算同时指定多个信息。

• FD_READ：是否存在需要接收的数据？
• FD_WRITE：能否以非阻塞方式传输数据？
• FD_OOB：是否收到带外数据？
• FD_ACCEPT：是否有新的连接请求？
• FD_CLOSE：是否有断开连接的请求？

以上就是 WSAEventSelect 函数的调用方法。

仅从概念上看，WSAEventSelect函数 的功能偏弱。但使用该函数时，没必要针对多个套接字进行调用。从 select 函数返回时，为了验证事件的发生需要再次针对所有句柄调用函数，但通过调用 WSAEventSelect 函数传递的套接字信息已注册到操作系统，所以无需再次调用。这反而是 WSAEventSelect 函数比 select 函数的优势所在。

从函数说明中可以看出，我们还需要知道以下内容：

1. WSAEventSelect 函数的第二个参数中用到的事件对象的创建方法。
2. 调用 WSAEventSelect 函数后发生事件的验证方法。
3. 验证事件发生后事件类型的查看方法。

manual-reset 模式事件的其他创建方法

之前创建事件对象是利用 CreateEvent 函数。 CreateEvent 函数在创建事件对象时，可以在 auto-reset 模式和 manual-reset 模式中任选其一。但是我们只需要 manual-reset 模式 non-signaled 状态的事件对象，所以利用下面的函数创建比较方便。

#include <winsock2.h>

WSAEVENT WSACreateEvent(void);

成功时返回事件对象句柄，失败时返回 WSA_INVALID_EVENT。

上述声明中返回类型 WSAEVENT 的定义如下：

#define WSAEVENT HANDLE

实际上就是我们熟悉的内核对象句柄。

另外，可使用如下函数销毁上述函数创建的事件对象：

#include <winsock2.h>

BOOL WSACloseEvent(WSAEVENT hEvent);

成功时返回 TRUE， 失败时返回 FALSE。

验证是否发生事件

区分事件类型

利用异步通知 I/O 模型实现回声服务器端

服务器端：

客户端：

在这里插入代码片

编译：

在这里插入代码片

运行结果：

习题

（1）结合 send & recv 函数解释同步和异步方式的 I/O。并请说明同步 I/O 的缺点，以及怎样通过异步 I/O 进行解决。

（2）异步 I/O 并不是所有情况下的最佳选择。它具有哪些缺点？何种情况下同步 I/O 更优？可以参考异步 I/O 相关源代码，亦可结合线程进行说明。

（3）判断下列关于 select 模型描述的正误。

• select 模型通过函数的返回值通知 I/O 相关事件，故可视为通知 I/O 模型。（√）
• select 模型中 I/O 相关事件的发生时间点和函数返回的时间点一致，故不属于异步模型。（√）
• WSAEventSelect 函数可视为 select 方式的异步模型，因为该函数的 I/O 相关事件的通知方式。（√）

（4）请从源代码的角度说明 select 函数和 WSAEventSelect 函数在使用上的差异

（5）第 17 章的 epoll 可以在条件触发和边缘触发这 2 种方式下工作。哪种方式更适合异步 I/O 模型？为什么？请概括说明。

（6）Linux 中的 epoll 同样属于异步 I/O 模型。请说明原因。

（7）如何获取 WSAWaitForMultipleEvents 函数可以监视的最大句柄数？请编写代码读取该值。

（8）为何异步通知 I/O 模型中的事件对象必须是 manual-reset 模式？

（9）请在本章的通知 I/O 模型的基础上编写聊天服务器端。要求该服务器端能够结合第 20 章的聊天客户端 chat_clnt_win.c 运行。