《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 22：重叠 I/O 模型

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 22：重叠 I/O 模型

理解重叠 I/O 模型

第 21 章异步处理的并非 I/O，而是“通知”。本章讲解的才是以异步方式处理 I/O 的方法。

重叠 I/O

同一线程内部向多个目标传输数据引起的 I/O 重叠现象称为“重叠I/O”。为了完成这项任务，调用的 I/O 函数应立即返回，只有这样才能发送后续数据。从结果来看，利用上述模型收发数据时，最重要的前提条件就是异步 I/O（调用的 I/O 函数应以非阻塞模式工作）。

本章讨论的重叠 I/O 的重点不在于 I/O

重叠 I/O 的重点并非 I/O 本身，而是如何确认 I/O 完成时的状态。

非阻塞模式的输入输出需要另外确认执行结果。

Windows 平台下重叠 I/O 模型由非阻塞异步 I/O 函数和确认 I/O 完成状态的方法组成。

创建重叠 I/O 套接字

首先要创建适用于重叠I/O的套接字，可以通过如下函数完成：

#include <winsock2.h>

SOCKET WSASocket(
	int af, 
	int type, 
	int protocol, 
	LPWSAPROTOCOL_INFO loProtocolInfo,
	GROUP g,
	DWORD dwFlags
);

参数：

• af：协议族信息
• type：套接字数据传输方式
• protocol：2 个套接字之间使用的协议信息
• lpProtocolInfo：包含创建的套接字信息的WSAPROTOCOL_INFO结构体变量地址值，不需要时传递 NULL。
• g：为扩展函数而预约的参数，可以使用 0
• dwFlags：套接字属性信息

成功时返回套接字句柄，失败时返回 INVALID_SOCKET。

各位对前 3 个参数比较熟悉，第四个和第五个参数与目前的工作无关，可以简单设置为 NULL 和 0。可以向最后一个参数传递 WSA_FLAG_OVERLAPPED，赋予创建出的套接字重叠 I/O 特性。

可以通过如下函数调用创建出可以进行重叠 I/O 的非阻塞模式的套接字。

WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);

执行重叠 I/O 的 WSASend 函数

创建出具有重叠 I/O 属性的套接字后，接下来 2 个套接字（服务器端/客户端之间的）连接过程与一般的套接字连接过程相同，但 I/O 数据时使用的函数不同。

先介绍重叠 I/O 中使用的数据输出函数：

#include <winsock2.h>

int WSASend(
	SOCKET s,
	LPWSABUF lpBuffers,
	DWORD dwBufferCount,
	LPDWORD lpNumberOfBytesSent,
	DWORD dwFlags,
	LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
	LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
);

参数：

• s：套接字句柄，传递具有重叠 I/O 属性的套接字句柄时，以重叠 I/O 模型输出。
• IpBuffers：WSABUF 结构体变量数组的地址值，WSABUF 中存有待传输数据。
• dwBufferCount：第二个参数中数组的长度。
• IpNumberOfBytesSent：用于保存实际发送字节数的变量地址值
• dwFlags：用于便改数据传输特性，如传递 MSG_OOB 时发送 OOB 模式的数据。
• IpOverlapped：WSAOVERLAPPED 结构体变量的地址值，使用事件对象，用于确认完成数据传输。
• IpCompletionRoutine：传入 Completion Routine 函数的入口地址值，可以通过该函数确认是否完成数据传输。

成功时返回 0，失败时返回 SOCKET_ERROR。

接下来介绍上述函数的第二个结构体参数类型，该结构体中存有待传输数据的地址和大小等信息。

typedef struct __WSABUF
{
    u_long len; // 待传输数据的大小
    char FAR * buf; // 缓冲地址值
} WSABUF, *LPWSABUF;

利用上述函数和结构体，传输数据时可以按如下方式编写代码：

WSAEVENT event;
WSAOVERLAPPED overlapped;
WSABUF dataBuf;
char buf[BUF_SIZE] = {"待传输的数据"};
int revcBytes = 0;
......
event = WSACreateEvent();
memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));
overlapped.hEvent = event;
dataBuf.len = sizeof(buf);
dataBuf.buf = buf;
WSASend(hSocket, &dataBuf, 1, &recvBytes, 0, &overlapped, NULL);
......

调用 WSASend 函数时将第三个参数设置为 1，因为策二个参数中待传输数据的缓冲个数为 1。另外，多余参数均设置为 NULL 或 0，其中需要注意第六个和第七个参数。

第六个参数中的 WSAOVERLAPPED 结构体定义如下：

typedef struct _WSAOVERLAPPED
{ 
    DWORD Internal;
    DWORD InternalHigh;
    DWORD Offset;
    DWORD OffsetHigh;
    WSAEVENT hEvent;
} WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;

Internal、InternalHigh 成员是进行重叠 I/O 时操作系统内部使用的成员，而 Offset、OffsetHigh 同样属于具有特殊用途的成员。所以各位实际只需要关注 hEvent 成员。

关于 WSAOVERLAPPED 结构体有 3 点需要注意：

1. 为了进行重叠 I/O，WSASend 函数的 lpOverlapped 参数中应该传递有效的结构体变量地址值，而不是 NULL。
2. 若向 lpOverlapped 传递 NULL，WSASend 函数的第一个参数中的句柄所指的套接字将以阻
   塞模式工作。
3. 利用 WSASend 函教同时向多个目标传输数据时，需要分别构建传入第六个参数的 WSAOVERLAPPED 结构体变量。这是因为，进行重叠 I/O 的过程中，操作系统将使用 WSAOVERLAPPED 结构体变量。

WSASend 函数调用过程中，函数返回时间点和数据传输完成时间点并非总不一致。分为以下两种情况：

• 如果输出缓冲是空的，且传输的数据并不大，那么函数调用后可以立即完成数据传输。此时，WSASend 函数将返回 0，lpNumberOfBytesSent 中将保存实际传输的数据大小的信息。
• 反之，WSASend 函数返回后仍需要传输数据时，将返回 SOCKET_ERROR，并将 WSA_IO_PENDING 注册为错误代码，该代码可以通过 WSAGetLastError 函数（稍后再介绍）得到。这时应该通过如下函效获取实际传输的数据大小。

#include <winsock2.h>

BOOL WSAGetOverlappedResult(
	SOCKET s,
	LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
	LPDWORD lpcbTransfer,
	BOOL fWait,
	LPDWORD lpdwFlags
);

参数：

• s：进行重叠 I/O 的套接字句柄。
• IpOverlapped：进行重叠 I/O 时传递的 WSAOVERLAPPED 结构体变量的地址值。
• lpcbTransfer：用于保存实际传输的字节数的变量地址值。
• fWait：如果调用该函数时仍在进行 I/O，fWait 为 TRUE 时等待 I/O 完成，fWait 为 FALSE 时将返回 FALSE 并跳出函数。
• IpdwFlags：调用 WSARecv 函数时，用于获取附加信息（例如 OOB 消息）。如果不需要，可以传递 NULL。

成功时返回 TRUE，失败时返回 FALSE。

通过此函数不仅可以获取数据传输结果，还可以验证接收数据的状态。

进行重叠 I/O 的 WSARecv 函数

#include <winsock2.h>

int WSARecv(
	SOCKET s,
	LPWSABUF lpBuffers,
	DWORD dwBufferCount,
	LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd,
	LPDWORD lpFlags,
	LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
	LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
);

参数：

• s：具有重叠 I/O 属性套接字句柄。
• IpBuffers：用于保存接收数据的 WSABUF 结构体变量数组的地址值。
• dwBufferCount：第二个参数中数组的长度。
• lpNumberOfBytesRecvd：用于保存接收字节数的变量地址值。
• lpFlags：用于设置或读取传输特性信息。
• IpOverlapped：WSAOVERLAPPED 结构体变量地址值。
• IpCompletionRoutine：Completion Routine 函数地址值。

成功时返回 0，失败时返回 SOCKET_ERROR。

Gather 输出指将多个缓冲中的数据累积到一定程度后一次性输出，Scatter 输入指将接收的数据分批保存。
重叠 I/O 的 WSASend 和 WSARecv 函数可以获得 writev & readv 函数的 Gather/Scatter I/O 功能。

重叠 I/O 的 I/O 完成确认

重叠 I/O 中有 2 种方法确认 I/O 的完成并获取结果。

• 利用 WSASend、WSARecv 函数的第六个参数，基于事件对象。
• 利用 WSASend、WSARecv 函数的第七个参数，基于 Completion Routine。

只有理解了这 2 种方法，才能算是掌握了重叠 I/O。首先介绍利用第六个参数的方法。

使用事件对象

直接给出示例。希望各位通过该示例验证如下 2 点：

• 完成 I/O 时，WSAOVERLAPPED 结构体变量引用的事件对象将变为 signaled 状态。
• 为了验证 I/O 的完成和完成结果，需要调用 WSAGetOvrlappedResult 函数。

发送端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>

void ErrorHandling(char *msg);

int main(int argc, char *argv[])
{
    WSADATA wsaData;
    SOCKET hSocket;
    SOCKADDR_IN sendAdr;

    WSABUF dataBuf;
    char msg[] = "Network is Computer!";
    int sendBytes = 0;

    WSAEVENT evObj;
    WSAOVERLAPPED overlapped;

    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
        ErrorHandling("WSAStartup() error");

    hSocket = WSASocket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
    memset(&sendAdr, 0, sizeof(sendAdr));
    sendAdr.sin_family = AF_INET;
    sendAdr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    sendAdr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(hSocket, (SOCKADDR *)&sendAdr, sizeof(sendAdr)) == SOCKET_ERROR)
        ErrorHandling("connect() error");

    evObj = WSACreateEvent();
    memset(&overlapped, 0, sizeof(overlapped));
    overlapped.hEvent = evObj;
    dataBuf.len = strlen(msg) + 1;
    dataBuf.buf = msg;

    if (WSASend(hSocket, &dataBuf, 1, &sendBytes, 0, &overlapped, NULL) == SOCKET_ERROR)
    {
        if (WSAGetLastError() == WSA_IO_PENDING)
        {
            puts("Background data send");
            WSAWaitForMultipleEvents(1, &evObj, TRUE, WSA_INFINITE, FALSE);
            WSAGetOverlappedResult(hSocket, &overlapped, &sendBytes, FALSE, NULL);
        }
        else
        {
            ErrorHandling("WSASend() error");
        }
    }

    printf("Send data size: %d \n", sendBytes);

    WSACloseEvent(evObj);
    closesocket(hSocket);
    WSACleanup();
    return 0;
}

void ErrorHandling(char *msg)
{
    fputs(msg, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

上述示例调用的 WSAGetLastError 函数定义如下。调用套接字相关函数后，可以通过该函数获取错误信息。

#include<winsock2.h>

int WSAGetLastError(void); // 返回错误代码（表示错误原因）

上述示例中该函数的返回值为 WSA_IO_PENDING，由此可以判断 WSASend 函数的调用结果并非发生了错误，而是尚未完成的状态。

下面介绍与上述示例配套使用的接收端代码：

在这里插入代码片

使用 Completion Routine 函数