[C++ 网络协议] 异步通知I/O模型-Toy模板网

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1.什么是异步通知I/O模型

如图是同步I/O函数的调用时间流：

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如图是异步I/O函数的调用时间流：

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可以看出，同异步的差别主要是在时间流上的不一致。select属于同步I/O模型。epoll不确定是不是属于异步I/O模型，这个在概念上有些混乱，期望大佬的指点。

这里说的异步通知I/O模型，实际上是select模型的改进方案。

2.实现异步通知I/O模型

2.1 实现异步通知I/O模型步骤

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2.2 WSAEventSelect函数

#include<winsock2.h>

int WSAEventSelect(
SOCKET s,                //监视对象的套接字句柄
WSAEVENT hEventObject,   //传递事件对象句柄以验证事件发生与否
long lNetworkEvents      //监视的事件类型信息
);
成功返回0
失败返回SOCKET_ERROR

参数hEventObject：

#define WSAEVENT HANDLE

WSAEVENT就是HANDLE。

参数lNetworkEvents：

值	含义
FD_READ	是否存在需要接收的数据
FD_WRITE	能否以非阻塞的方式传输数据
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

可以通过位或运算指定多个信息。

函数解释：

传入的套接字参数s，只要s发送lNetworkEvents事件，就会将hEventObject事件对象所指内核对象的状态，改为signaled状态。

与select函数的比较：

每个通过WSAEventSelect函数注册的套接字信息就已经注册到操作系统中了，这意味着，无需针对已注册的套接字重复调用WSAEventSelect。

还有一个实现方式是WSAAsyncSelect函数，使用这个函数时需要指定Windows句柄以获取发生的事件（跟UI有关）

2.3 创建WSAEVENT对象

创建manual-reset模式的事件对象。

方式一：

使用“windows中的线程同步”中所讲的CreateEvent函数。

方式二：

#include<winsock2.h>

WSAEVENT WSACreateEvent(void);
成功返回事件对象句柄
失败返回WSA_INVALID_EVENT

这种方式会直接创建manual-reset模式的事件对象。其销毁函数：

#include<winsock2.h>

BOOL WSACloseEvent(WSAEVENT hEvent);
成功返回TRUE
失败返回FALSE

2.4 验证是否发生了事件

#include<winsock2.h>

DWORD WSAWaitForMultipleEvent(
DWORD cEvents,                //需要验证是否转为signaled状态的事件对象个数
const WSAEVENT* lphEvents,    //存有事件对象句柄的数组地址值
BOOL fWaitAll,                //TRUE,所有事件对象都在signaled状态时返回
                              //FALSE，只要其中1个变为signaled状态就返回
DWORD dwTimeout,              //以1/1000秒为单位指定超时，传递WSA_INFINITE时，直到signaled状态时才返回
                              //传递0时，表明不阻塞，是否是signaled状态都返回
BOOL fAlertable               //传递TRUE可进入alertable_wait(可警告等待)状态
);
成功：
返回值减去WSA_WAIT_EVENT_0时，可以得到第一个转变为signaled状态的事件对象句柄对应的索引，可在第二个参数中查找对应句柄。
超时则返回WSA_WAIT_TIMEOUT。
失败：
返回WSA_WAIT_FAILED（注意，原版书籍里这里打印错了）

最多可监视的事件对象数量为：WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS常量。

要想监视更多，要么创建线程，要么扩展保存句柄的数组并多次调用这个函数。

注意：参数fwaitAll为FALSE时，是说只要其中1个变为signaled状态就返回，函数是返回了，但其有可能有多个事件对象变为了signaled状态。

通过事件对象为manual-reset模式的特点，可以获取转为signaled状态的所有事件对象的句柄。

int start;
WSAEVENT events[num];
start=WSAWaitForMultipleEvents(num,events,FALSE,WSA_INFINITE,FALSE);
int first=start-WSA_WAIT_EVENT_0;
for(int i=first,i<num;++i)    //first是变为singaled状态的事件对象的索引的最小值
{
    //从第一个的signaled状态的事件对象开始，一个个判断是否siganled
    int sigEventIdx=WSAWaitForMultipleEvents(1,&events[i],TRUE,0,FALSE);
    ......
}

2.5 区分事件类型

#include<winsock2.h>

int WSAEnumNetworkEvents(
SOCKET s,                            //发生事件的套接字句柄
WSAEVENT hEventObject,               //与套接字相连的signaled状态的事件对象句柄
LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents   //保存发生的事件类型信息和错误信息的
                                     //WSANETWORKEVENTS结构体变量地址值
);
成功返回0
失败返回SOCKET_ERROR

struct _WSANETWORKEVENTS
{
    long lNetworkEvents;            //事件类型
    int iErrorCode[FD_MAX_EVENTS];  //错误信息
}WSANETWORKEVENTS,*LPWSANETWORKEVENTS;

事件类型的验证：

就是FD_READ、FD_ACCEPT等，和WSAEventSelect第三个参数一样。

错误信息的验证：

如果发生FD_XXX相关错误，则在iErrorCode[FD_XXX_BIT]中保存除0以外的其他值。

如：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-730439.html

WSANETWORKEVENTS netEvents;
......
WSAEnumNetworkEvents(hSock,hEvent,netEvents);
......
if(netEvents.lNetworkEvents & FD_ACCEPT)
{
    ......
}
......
if(netEvents.iErrorCode[FD_READ_BIT]!=0)
{
    ......
}

3.用异步通知I/O模型实现回声服务器端

#include<iostream>
#include<WinSock2.h>
#include<Windows.h>
#include<process.h>
#include<string>
#include<vector>

std::vector<SOCKET> vecSocket;
std::vector<WSAEVENT> vecEvent;

void ErrorHandle(WSANETWORKEVENTS network);

int main()
{
	WSADATA wsaData;
	if (0 != WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData))
	{
		std::cout << "start up fail!" << std::endl;
		return 0;
	}
	SOCKET server = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	if (server == INVALID_SOCKET)
	{
		std::cout << "socket fail!" << std::endl;
		return 0;
	}

	sockaddr_in serverAddr;
	memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
	serverAddr.sin_family = AF_INET;
	serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	serverAddr.sin_port = htons(9130);

	if (SOCKET_ERROR == bind(server, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)))
	{
		std::cout << "bind fail!" << std::endl;
		return 0;
	}
	if (SOCKET_ERROR == listen(server, 2))
	{
		std::cout << "listen fail!" << std::endl;
		return 0;
	}
	
	WSAEVENT serverEvent=WSACreateEvent();
	if (SOCKET_ERROR == WSAEventSelect(server, serverEvent, FD_ACCEPT))
	{
		std::cout << "event select fail!" << std::endl;
		return 0;
	}

	vecSocket.push_back(server);
	vecEvent.push_back(serverEvent);

	while (1)
	{
		int eventSize = vecEvent.size();
		int res=WSAWaitForMultipleEvents(eventSize, vecEvent.data(), FALSE, WSA_INFINITE, FALSE);
		int a = (int)WSA_INVALID_EVENT;
		if (res == WSA_WAIT_FAILED)
		{
			std::cout << "wait fail!" << std::endl;
			//continue;
		}
		int first = res - WSA_WAIT_EVENT_0;
		for (int i = first; i < eventSize; ++i)
		{
			int sig = WSAWaitForMultipleEvents(1, &vecEvent[i], TRUE, 0, FALSE);
			if (sig == WSA_WAIT_FAILED)
				continue;
			int index = sig - WSA_WAIT_EVENT_0;
			WSANETWORKEVENTS network;
			int result = WSAEnumNetworkEvents(vecSocket[i], vecEvent[i], &network);
			if (result == SOCKET_ERROR)
			{
				ErrorHandle(network);
			}
			else
			{
				if (network.lNetworkEvents & FD_ACCEPT)
				{
					SOCKET client;
					sockaddr_in clientAddr;
					memset(&clientAddr, 0, sizeof(clientAddr));
					int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
					client=accept(vecSocket[i], (sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);
					if (INVALID_SOCKET==client)
					{
						std::cout << "accept fail!" << std::endl;
						continue;
					}
					else
					{
						WSAEVENT clientEvent = WSACreateEvent();
						WSAEventSelect(client, clientEvent, FD_READ|FD_CLOSE);

						vecSocket.push_back(client);
						vecEvent.push_back(clientEvent);
					}
				}
				else if (network.lNetworkEvents & FD_READ)
				{
					char buff[1024];
					int readLen=recv(vecSocket[i], buff, sizeof(buff), 0);
					std::cout << "客户端发来的消息:" << buff << std::endl;
					if (readLen != 0)
					{
						send(vecSocket[i], buff, readLen, 0);
					}
				}
				else if (network.lNetworkEvents & FD_CLOSE)
				{
					closesocket(vecSocket[i]);
					CloseHandle(vecEvent[i]);
					auto itSocket = vecSocket.begin() + i;
					if(itSocket<vecSocket.end())
						vecSocket.erase(itSocket);
					auto itEvent = vecEvent.begin() + i;
					if (itEvent < vecEvent.end())
						vecEvent.erase(itEvent);
				}
			}
		}
	}
	CloseHandle(serverEvent);
	closesocket(server);
	WSACleanup();
	return 0;
}

void ErrorHandle(WSANETWORKEVENTS network)
{
	if (network.iErrorCode[FD_ACCEPT_BIT]!=0)
	{
		std::cout << "accept error!" << std::endl;
	}
	else if (network.iErrorCode[FD_READ_BIT] != 0)
	{
		std::cout << "read error!" << std::endl;
	}
	else if (network.iErrorCode[FD_CLOSE_BIT] != 0)
	{
		std::cout << "close error!" << std::endl;
	}
}

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