續執行個體解析SOCKET編程模型之非同步通訊篇(上)

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編程|非同步 .NET 架構的 Socket 類實際上是 Winsock32 API 提供的通訊端服務的Managed 程式碼版本。其中Socket 類為網路通訊提供了一套豐富的方法和屬性,大多數情況下,Socket 類方法只是將資料封送到它們的本機Win32 副本中並處理任何必要的安全檢查。Socket 類允許使用 ProtocolType 枚舉中所列出的任何一種協議執行非同步和同步資料轉送。Socket 類遵循非同步方法呼叫的 .NET Framework 命名模式;例如,同步 Receive 方法對應於非同步 BeginReceive 和 EndReceive 方法。

事實上Socket可以象流Stream一樣被視為一個應用程式端(用戶端)和遠程伺服器端之間資料通道,通過這個通道來對資料進行讀取(接收)和寫入(發送)。

非同步模式所提供的革新之一就是調用方確定特定調用是否應是非同步。對於被調用的對象,沒有必要執行附加的編程來用於支援其用戶端的非同步行為;在該模式中非同步委託提供此功能。

如果應用程式在執行期間只需要一個線程,請使用我在《執行個體解析SOCKET編程模型》中介紹的方法,這些方法適用於單線程同步操作模式。同步操作模式對執行網路操作的函數(如 Send 和 Receive)的調用一直等到操作完成後才將控制返回給調用程式。

若要在執行過程中使用單獨的線程處理通訊,請使用下面的方法,這些方法適用於非同步作業模式。非同步作業模式對執行網路操作的函數的調用立即返回。

如果當前使用的是連線導向的協議(如 TCP),則可使用 Socket、BeginConnect 和 EndConnect 方法來串連偵聽主機。通過使用 BeginSend 和 EndSend 方法,或者使用 BeginReceive 和 EndReceive 方法,可以進行非同步資料通訊。可以使用 BeginAccept 和 EndAccept 處理傳入的串連請求。
如果當前使用的是無連線協定(如 UDP),則可以使用 BeginSendTo 和 EndSendTo 來發送資料報,而使用 BeginReceiveFrom 和 EndReceiveFrom 來接收資料報。
當資料發送和資料接收完成之後,可使用 Shutdown 方法來禁用 Socket。在調用 Shutdown 之後,可調用 Close 方法來釋放與 Socket 關聯的所有資源。

Socket 類允許使用 SetSocketOption 方法來配置 Socket。可使用 GetSocketOption 方法來檢索這些設定。

注意 如果編寫較簡單的應用程式,而且只需同步資料轉送,則可以考慮使用 TcpClient、TcpListener 和 UdpClient。這些類為 Socket 通訊提供了更簡單、對使用者更友好的介面。


從TCP/IP模型上來看, 像 System.Net命名空間中的HttpWebReqeust類和HttpWebResponse類屬於請求/響應層。TcpClient、TcpListener 和 UdpClient這些類屬於應用協議層,處中間。而Socket類處於傳輸層,是最底層。當其上面的請求/響應層和應用協議層不能滿足應用程式的特殊需要時,就需要使用傳輸層進行Socket通訊端編程。



非同步伺服器通訊端使用 .NET Framework 非同步編程模型處理網路服務請求。Socket 類遵循標準 .NET Framework 非同步命名模式;例如,同步 Accept 方法對應非同步 BeginAccept 和 EndAccept 方法。

非同步伺服器通訊端需要一個開始接受網路連接請求的方法,一個處理串連請求並開始接收網路資料的回調方法以及一個結束接收資料的回調方法。本節將進一步討論所有這些方法。

在下面的源碼中,為開始接受網路連接請求,方法 StartListening 初始化 Socket,然後使用 BeginAccept 方法開始接受新串連。當通訊端上接收到新串連請求時,將調用接受回調方法。它負責擷取將處理串連的 Socket 執行個體,並將 Socket 提交給將處理請求的線程。接受回調方法實現 AsyncCallback 委託;它返回 void,並帶一個 IAsyncResult 類型的參數。下面的樣本是接受回調方法的外殼程式: private void AcceptCallBack(IAsyncResult ar){}

BeginAccept 方法帶兩個參數:指向接受回調方法的 AsyncCallback 委託和一個用於將狀態資訊傳遞給回調方法的對象。在下面的樣本中,偵聽 Socket 通過狀態參數傳遞給回調方法。本樣本建立一個 AsyncCallback 開始一個非同步作業來接受一個傳入的串連嘗試 listeningSocket.BeginAccept(new AsyncCallback(AcceptCallBack),listeningSocket);//

非同步通訊端使用系統線程池中的線程處理傳入的串連。一個線程負責接受串連,另一線程用於處理每個傳入的串連,還有一個線程負責接收串連資料。這些線程可以是同一個線程,具體取決於線程池所分配的線程。System.Threading.ManualResetEvent 類掛起主線程的執行並在執行可以繼續時發出訊號。

接受回調方法(即前例中的 acceptCallback)負責向主應用程式發出訊號,讓它繼續執行處理、建立與用戶端的串連並開始非同步讀取用戶端資料。下面的樣本是 acceptCallback 方法實現的第一部分。該方法的此節向主應用程式線程發出訊號,讓它繼續處理並建立與用戶端的串連。

開始從用戶端通訊端接收資料的 acceptCallback 方法的此節首先初始化 StateObject 類的一個執行個體,然後調用 BeginReceive 方法以開始從用戶端通訊端非同步讀取資料。需要為非同步通訊端伺服器實現的 final 方法是返回用戶端發送的資料的讀取回調方法。與接受回調方法一樣,讀取回調方法也是一個 AsyncCallback 委託。該方法將來自用戶端通訊端的一個或多個位元組讀入資料緩衝區,然後再次調用 BeginReceive 方法,直到用戶端發送的資料完成為止。

建立線程時,將使用採用 ThreadStart 委託作為其唯一參數的建構函式建立 Thread 類的新執行個體。但線程在調用 Start 方法前不會開始執行。調用 Start 後,將從由 ThreadStart 委託引用的方法的第一行開始執行。如下例所示: Thread thread=new Thread(new ThreadStart(ThreadProc));

thread.Start();



在以下的源碼中我們使用了ManualResetEvent 來允許線程通過發訊號互相通訊。通常,此通訊涉及一個線程在其他線程進行之前必須完成的任務。

當線程開始一個活動(此活動必須在其他線程進行之前完成)時,它調用 Reset 將 ManualResetEvent 設定為非終止狀態。此線程可被視為控制 ManualResetEvent。調用 ManualResetEvent 上的 WaitOne 的線程將阻塞,並等待訊號。當控制線程完成活動時,它調用 Set 以發出等待線程可以繼續進行的訊號。並釋放所有等待線程。

一旦它被終止,ManualResetEvent 將保持終止狀態,直到它被手動重設。即對 WaitOne 的調用將立即返回。

可以通過將布爾值傳遞給建構函式來控制 ManualResetEvent 的初始狀態,如果初始狀態處於終止狀態,為 true;否則為 false。



//以下是非同步聊天伺服器端詳細實現方法

using System;
using System.Drawing;
using System.Collections;
using System.ComponentModel;
using System.Windows.Forms;
using System.Data;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;
using System.Text;
namespace 聊天_socket
{
/// <summary>
/// Form1 的摘要說明。
/// </summary>
public class Form1 : System.Windows.Forms.Form
{
private System.Windows.Forms.StatusBar statusBar1;
private System.Windows.Forms.Label label1;
private System.Windows.Forms.Label label2;
private System.Windows.Forms.Label label3;
private System.Windows.Forms.Label label4;
private System.Windows.Forms.RichTextBox rtbReceive;
private System.Windows.Forms.RichTextBox rtbSend;
private System.Windows.Forms.TextBox txtServer;
private System.Windows.Forms.TextBox txtPort;
private System.Windows.Forms.Button btnListen;
private System.Windows.Forms.Button btnSend;
private System.Windows.Forms.Button btnStop;
private IPAddress hostIPAddress=IPAddress.Parse("127.0.0.1");
private IPEndPoint Server;
private Socket listeningSocket;
private Socket handler;
private Socket mySocket;
private static ManualResetEvent Done=new ManualResetEvent(false);
private const int BufferSize=256;
private byte[] buffer=new byte[BufferSize];
string port;
/// <summary>
/// 必需的設計器變數。
/// </summary>
private System.ComponentModel.Container components = null;

public Form1()
{
//
// Windows 表單設計器支援所必需的
//
InitializeComponent();

//
// TODO: 在 InitializeComponent 調用後添加任何建構函式代碼
//
}

/// <summary>
/// 清理所有正在使用的資源。
/// </summary>
protected override void Dispose( bool disposing )
{
if( disposing )
{
if (components != null)
{
components.Dispose();
}
}
base.Dispose( disposing );
}

#region Windows 表單設計器產生的程式碼
/// <summary>
/// 設計器支援所需的方法 - 不要使用代碼編輯器修改
/// 此方法的內容。
/// </summary>
private void InitializeComponent()
{
this.rtbReceive = new System.Windows.Forms.RichTextBox();
this.rtbSend = new System.Windows.Forms.RichTextBox();
this.txtServer = new System.Windows.Forms.TextBox();
this.txtPort = new System.Windows.Forms.TextBox();
this.statusBar1 = new System.Windows.Forms.StatusBar();
this.btnListen = new System.Windows.Forms.Button();
this.btnSend = new System.Windows.Forms.Button();
this.btnStop = new System.Windows.Forms.Button();
this.label1 = new System.Windows.Forms.Label();
this.label2 = new System.Windows.Forms.Label();
this.label3 = new System.Windows.Forms.Label();
this.label4 = new System.Windows.Forms.Label();
this.SuspendLayout();
//
// rtbReceive
//
this.rtbReceive.Location = new System.Drawing.Point(80, 56);
this.rtbReceive.Name = "rtbReceive";
this.rtbReceive.Size = new System.Drawing.Size(264, 96);
this.rtbReceive.TabIndex = 0;
this.rtbReceive.Text = "";
//
// rtbSend
//
this.rtbSend.Location = new System.Drawing.Point(80, 152);
this.rtbSend.Name = "rtbSend";
this.rtbSend.Size = new System.Drawing.Size(264, 96);
this.rtbSend.TabIndex = 1;
this.rtbSend.Text = "";
//
// txtServer
//
this.txtServer.Location = new System.Drawing.Point(72, 16);
this.txtServer.Name = "txtServer";
this.txtServer.TabIndex = 2;
this.txtServer.Text = "127.0.0.1";
//
// txtPort
//
this.txtPort.Location = new System.Drawing.Point(288, 16);
this.txtPort.Name = "txtPort";
this.txtPort.Size = new System.Drawing.Size(48, 21);
this.txtPort.TabIndex = 3;
this.txtPort.Text = "19811";
//
// statusBar1
//
this.statusBar1.Location = new System.Drawing.Point(0, 287);
this.statusBar1.Name = "statusBar1";
this.statusBar1.ShowPanels = true;
this.statusBar1.Size = new System.Drawing.Size(360, 22);
this.statusBar1.TabIndex = 4;
this.statusBar1.Text = "statusBar1";
//
// btnListen
//
this.btnListen.Location = new System.Drawing.Point(32, 256);
this.btnListen.Name = "btnListen";
this.btnListen.TabIndex = 5;
this.btnListen.Text = "開始監聽";
this.btnListen.Click += new System.EventHandler(this.btnListen_Click);
//
// btnSend
//
this.btnSend.Location = new System.Drawing.Point(144, 256);
this.btnSend.Name = "btnSend";
this.btnSend.TabIndex = 6;
this.btnSend.Text = "發送資訊";
this.btnSend.Click += new System.EventHandler(this.btnSend_Click);
//
// btnStop
//
this.btnStop.Location = new System.Drawing.Point(256, 256);
this.btnStop.Name = "btnStop";
this.btnStop.TabIndex = 7;
this.btnStop.Text = "停止監聽";
this.btnStop.Click += new System.EventHandler(this.btnStop_Click);
//
// label1
//
this.label1.Location = new System.Drawing.Point(16, 16);
this.label1.Name = "label1";
this.label1.Size = new System.Drawing.Size(56, 23);
this.label1.TabIndex = 8;
this.label1.Text = "伺服器:";
//
// label2
//
this.label2.Location = new System.Drawing.Point(216, 16);
this.label2.Name = "label2";
this.label2.Size = new System.Drawing.Size(64, 23);
this.label2.TabIndex = 9;
this.label2.Text = "監聽連接埠:";
//
// label3
//
this.label3.Location = new System.Drawing.Point(16, 64);
this.label3.Name = "label3";
this.label3.Size = new System.Drawing.Size(64, 23);
this.label3.TabIndex = 10;
this.label3.Text = "接收資訊:";
//
// label4
//
this.label4.Location = new System.Drawing.Point(16, 152);
this.label4.Name = "label4";
this.label4.Size = new System.Drawing.Size(64, 23);
this.label4.TabIndex = 11;
this.label4.Text = "發送資訊:";
//
// Form1
//
this.AutoScaleBaseSize = new System.Drawing.Size(6, 14);
this.ClientSize = new System.Drawing.Size(360, 309);
this.Controls.Add(this.label4);
this.Controls.Add(this.label3);
this.Controls.Add(this.label2);
this.Controls.Add(this.label1);
this.Controls.Add(this.btnStop);
this.Controls.Add(this.btnSend);
this.Controls.Add(this.btnListen);
this.Controls.Add(this.statusBar1);
this.Controls.Add(this.txtPort);
this.Controls.Add(this.txtServer);
this.Controls.Add(this.rtbSend);
this.Controls.Add(this.rtbReceive);
this.Name = "Form1";
this.Text = "聊天程式-伺服器";
this.TopMost = true;
this.Closing += new System.ComponentModel.CancelEventHandler(this.Form1_Closing);
this.ResumeLayout(false);

}
#endregion

/// <summary>
/// 應用程式的主進入點。
/// </summary>
[STAThread]
static void Main()
{
Application.Run(new Form1());
}

private void btnListen_Click(object sender, System.EventArgs e)
{
try
{
hostIPAddress=IPAddress.Parse(txtServer.Text);
port=txtPort.Text;
}
catch{MessageBox.Show("請輸入正確的IP地址格式");}
try
{ //通過組合服務的主機 IP 位址和連接埠號碼,IPEndPoint 類形成到服務的連接點。
Server=new IPEndPoint(hostIPAddress,Int32.Parse(port));
// Create a socket object to establish a connection with the server
listeningSocket=new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp);
listeningSocket.Bind(Server); //綁定該主機連接埠
listeningSocket.Listen(50); //監聽連接埠,等待用戶端串連請求。50是隊列中最多可容納的等待接受的傳入串連數
statusBar1.Text="主機"+txtServer.Text+"連接埠"+txtPort.Text+"開始監聽.....";
//Accept 以同步方式從偵聽通訊端的串連請求隊列中提取第一個掛起的串連請求,然後建立並返回新的 Socket。
//mySocket=listeningSocket.Accept();
//一個進程可以建立一個或多個線程以執行與該進程關聯的部分程式碼。使用 ThreadStart 委託指定由線程執行的程式碼。
Thread thread=new Thread(new ThreadStart(ThreadProc));
thread.Start();
}
catch(Exception ee){statusBar1.Text=ee.Message;}
}
private void ThreadProc()
{
//if(mySocket.Connected)
//{
//statusBar1.Text="與客戶建立串連.";
while(true)
{
/*Byte[] ByteRecv=new Byte[256];
mySocket.Receive(ByteRecv,ByteRecv.Length,0);
string strRecv=Encoding.BigEndianUnicode.GetString(ByteRecv);
rtbReceive.AppendText(strRecv+"\r\n");*/
Done.Reset(); //將狀態設為非終止
listeningSocket.BeginAccept(new AsyncCallback(AcceptCallBack),listeningSocket);//開始一個非同步作業來接受一個傳入的串連嘗試
Done.WaitOne(); //阻塞當前線程,直到當前線程收到訊號。
}
//}
}
private void AcceptCallBack(IAsyncResult ar)//ar表示非同步作業的狀態。
{
Done.Set();//設為終止
mySocket=(Socket)ar.AsyncState; //擷取狀態
handler=mySocket.EndAccept(ar); //非同步接受傳入的串連嘗試,並建立新的 Socket 來處理遠程主機通訊,擷取結果
try
{
byte[] byteData=Encoding.BigEndianUnicode.GetBytes("準備完畢,可以通話"+"\r\n");
//調用SendCallBack非同步發送資料,
handler.BeginSend(byteData,0,byteData.Length,0,new AsyncCallback(SendCallBack),handler);
}
catch(Exception ee){MessageBox.Show(ee.Message);}
Thread thread=new Thread(new ThreadStart(ThreadRev));
thread.Start();
}

private void SendCallBack(IAsyncResult ar)
{
try
{
handler=(Socket)ar.AsyncState; //擷取狀態
int bytesSent=handler.EndSend(ar);//結束掛起的非同步發送,返迴向 Socket 發送的位元組數
}
catch{}
}
private void ThreadRev()
{
handler.BeginReceive(buffer,0,BufferSize,0,new AsyncCallback(ReadCallBack),handler);
}

private void ReadCallBack(IAsyncResult ar)
{
int bytesRead=handler.EndReceive(ar); //結束掛起的非同步讀取,返回接收到的位元組數。
StringBuilder sb=new StringBuilder(); //接收資料的可變字元字串,在通過追加、移除、替換或插入字元而建立它後可以對它進行修改。
sb.Append(Encoding.BigEndianUnicode.GetString(buffer,0,bytesRead));//追加字串
string content=sb.ToString(); //轉換為字串
sb.Remove(0,content.Length); //清除sb內容
rtbReceive.AppendText(content+"\r\n");
handler.BeginReceive(buffer,0,BufferSize,0,new AsyncCallback(ReadCallBack),handler);
}
private void btnStop_Click(object sender, System.EventArgs e)
{
try
{
listeningSocket.Close();
statusBar1.Text="主機"+txtServer.Text+"連接埠"+txtPort.Text+"監聽停止";
}
catch{MessageBox.Show("監聽尚未開始,關閉無效");}
}

private void btnSend_Click(object sender, System.EventArgs e)
{
try
{
string strSend ="Server--->"+rtbSend.Text+"\r\n";
Byte[] ByteSend = Encoding.BigEndianUnicode.GetBytes(strSend);
handler.BeginSend(ByteSend,0,ByteSend.Length,0,new AsyncCallback(SendCallBack),handler);
}
catch{MessageBox.Show("串連尚未建立,無法發送.");}
}

private void Form1_Closing(object sender, System.ComponentModel.CancelEventArgs e)
{
try
{
listeningSocket.Close();//在視窗關閉之前關閉Scoket串連並釋放所有關聯的資源。
}
catch{}
}
}
}






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