C#網路編程的圖文代碼詳解

在現今軟體開發中，網路編程是非常重要的一部分，本文簡要介紹下網路編程的概念和實踐,需要的朋友可以參考下

閱讀目錄：

基礎
Socket編程
多線程並發
阻塞式同步IO

基礎
在現今軟體開發中，網路編程是非常重要的一部分，本文簡要介紹下網路編程的概念和實踐。
Socket是一種網路編程介面，它是對傳輸層TCP、UDP通訊協定的一層封裝，通過友好的API暴露出去，方便在進程或多台機器間進行網路通訊。

Socket編程

在網路編程中分用戶端和服務端兩種角色，比如通過開啟瀏覽器訪問到掛在Web軟體上的網頁，從程式角度上來看，即用戶端(瀏覽器)發起了一個Socket請求到伺服器端，伺服器把網頁內容返回到瀏覽器解析後展示。在用戶端和服務端資料通訊前，會進行三次確認才會正式建立串連，也即是三向交握。

1. 用戶端發送訊息詢問服務端是否準備好

2. 服務端回應我準備好了，你呢準備好了嗎

3. 用戶端回應服務端我也準備好了，可以通訊了

TCP/IP協議是網路間通訊的基礎協議，在不同程式設計語言及不同作業系統下暴露的Socket介面用法也大同小異，僅是其內部實現有所不同，比如Linux下的epoll和windows下的IOCP。

服務端

• 執行個體化Socket

• 把公用地址連接埠綁定作業系統上

• 開始監聽綁定的連接埠

• 等待用戶端串連

IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 6389);      Socket listenSocket = new Socket(ip.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);      listenSocket.Bind(ip);      listenSocket.Listen(100);      listenSocket.Accept();

listen函數中有個int型別參數，它表示最大等待處理串連的數量，表示已建立串連但還未處理的數量，每調用Accept函數一下即從這個等待隊列中拿出一個串連。 通常服務端要服務多個用戶端請求的串連，所以會迴圈從等待隊列中拿出串連，進行接收發送。

while (true)       {         var accept= listenSocket.Accept();        accept.Receive();         accept.Send();       }

多線程並發
上面的服務端程式處理接收和發送訊息都是在當前線程下完成的，這意味著要處理完一個用戶端串連後才能去處理下一個串連，如果當前串連是進行資料庫或者檔案讀取寫入等IO操作，那會極大浪費伺服器的CPU資源，降低了伺服器輸送量。

while (true)      {        var accept = listenSocket.Accept();        ThreadPool.QueueUserWorkItem((obj) =>        {          byte[] receive = new byte[100];          accept.Receive(receive);          byte[] send = new byte[100];          accept.Send(receive);        });      }

如例子中，當監聽到有新串連請求過來時，調用Accept()取出當前串連的socket，使用新的線程去處理接收和發送資訊，這樣服務端就能實現並發處理多個用戶端了。 上述代碼中，在高並發下其實是有問題的，如果用戶端串連請求成千上萬個，那線程數量也會有這麼多，每個線程的棧空間都需要消耗部分記憶體，再加上線程環境切換，容易導致伺服器負載過高，輸送量大大下降，嚴重時會引起宕機。 當前例子中使用系統ThreadPool的話，線程數量會固定在一個數量上，預設是1000，不會無限制開線程，會把處理超出線程數量的請求放到線程池中的隊列上面。
在unix下類似的實現有2種：

fork一個新進程去處理用戶端的串連：

var connfd = Accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&cliaddr_len); var m = fork(); if(m == 0) { //do something }

建立一個新的線程處理限流：

var *clientsockfd = accept(serversockfd,(struct sockaddr *)&clientaddress, (socklent *)&clientlen); if(pthreadcreate(&thread, NULL, recdata, clientsockfd)!=0) { //do something }

阻塞式同步IO
上述例子中使用的即是該模型，使用起來簡單方便。

while (true)      {        var accept = listenSocket.Accept();        byte[] receive = new byte[100];        accept.Receive(receive);        byte[] send = new byte[100];        accept.Send(receive);      }

從調用Receive函數起到接受到用戶端發過來的資料期間，該函數會一直阻塞等待著，這個阻塞期間處理流程如下：

1. 用戶端發送資料

2. 通過廣域網路區域網路發送到服務端機器網卡緩衝區上

3. 網卡驅動對CPU發送中斷指令

4. CPU把資料拷貝到核心緩衝區

5. CPU再把核心緩衝區的資料拷貝使用者緩衝區，上面的receive位元組數組。

至此處理成功，開始處理下一個串連請求。 調用發送函數同樣會阻塞在當前，然後把使用者緩衝區(send位元組數組)資料拷貝到核心中TCP發送緩衝區中。 TCP的發送緩衝區也有一定的大小限制，如果發送的資料大於該限制，send函數會一直等待發送緩衝區有空閑時完全拷貝完才會返回，繼續處理後續串連請求。

非同步IO
上篇提到用多執行緒多個阻塞同步IO而實現並發服務端，這種模式在串連數量比較小的時候非常適合，一旦串連過多，效能會急速下降。 在大多數服務端網路軟體中會採用一種非同步IO的方式來提高效能。

同步IO方式：串連Receive請求->等待->等待->接收成功
非同步IO方式：串連Receive請求->立即返回->事件或回調通知
採用非同步IO方式，意味著單線程可以處理多個請求了，串連發起一個Receive請求後，當前線程可以立即去做別的事情，當資料接收完畢通知線程處理即可。
其資料接收分2部分：

資料從別的機器發送核心緩衝區
核心緩衝區拷貝到使用者緩衝區
第二部分範例程式碼：

byte[] msg = new byte[256]; socket.Receive(msg);

介紹這2部分的目的是方便區分其他幾種方式。 對於使用者程式來說，同步IO和非同步IO的區別在於第二部分是否需要等待。

非阻塞式同步IO
非阻塞式同步IO，由同步IO延伸出來，把這個名詞拆分成2部分描述：

• 非阻塞式，指的是上節"資料從別的機器發送核心緩衝區"部分是非阻塞的。

• 同步IO，指的是上節"核心緩衝區拷貝到使用者緩衝區"部分是等待的。

既然是第一部分是非阻塞的，那就需要一種方法得知什麼時候核心緩衝區是OK的。 設定非阻塞模式後，在串連調用Receive方法時，會立即返回一個標記，告知使用者程式核心緩衝區有沒有資料，如果有資料開始進行第二部分操作，從核心緩衝區拷貝到使用者程式緩衝區。 由於系統會返回個標記，那可以通過輪詢方式來判斷核心緩衝區是否OK。

設定非阻塞模式參考代碼：

SocketInformation sif=new SocketInformation();sif.Options=SocketInformationOptions.NonBlocking;sif.ProtocolInformation = new byte[24];Socket socket = new Socket(sif);

輪詢參考代碼：

while(true) {byte[] msg = new byte[256];var temp = socket.Receive(msg);if (temp=="OK"){//do something}else{ continue }}

這種方式近乎淘汰了，瞭解即可。

基於回調的非同步IO
上面介紹過：

非同步IO方式：串連Receive請求->立即返回->事件或回調通知
當回調到執行時，資料已經在使用者程式緩衝區已經準備好了，在回調代碼中對這部分資料進行相應的邏輯即可。

發出接收請求：

static byte[] msg = new byte[256]; var temp = socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(ReadCallback), socket);

回呼函數中對資料做處理：

public static void ReadCallback(IAsyncResult ar) { var socket = (Socket)ar.AsyncState; int read = socket.EndReceive(ar);DoSomething(msg); socket.BeginReceive(msg, 0, msg.Length, 0, new AsyncCallback(Read_Callback), socket);}

當回呼函數執行時，表示資料已經準備好，需要先結束接收請求EndReceive，以便第二次發出接收請求。 在服務端程式中要處理多個用戶端的接收，再次發出BeginReceive接收資料請求即可。

這裡的回呼函數是在另外一個線程的觸發，必要時要對資料加鎖防止資料競爭：

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);