淺談C#網絡編程(一)

閱讀目錄：

1. 基礎
2. Socket編程
3. 多線程並發
4. 阻塞式同步IO

基礎

在現今軟件開發中，網絡編程是非常重要的一部分，本文簡要介紹下網絡編程的概念和實踐。
Socket是一種網絡編程接口，它是對傳輸層TCP、UDP通信協議的一層封裝，通過友好的API暴露出去，方便在進程或多台機器間進行網絡通信。

Socket編程

在網絡編程中分客戶端和服務端兩種角色，比如通過打開瀏覽器訪問到掛在Web軟件上的網頁，從程序角度上來看，即客戶端(瀏覽器)發起了一個Socket請求到服務器端，服務器把網頁內容返回到瀏覽器解析后展示。在客戶端和服務端數據通信前，會進行三次確認才會正式建立連接，也即是三次握手。

1. 客戶端發送消息詢問服務端是否准備好
2. 服務端回應我准備好了，你呢准備好了嗎
3. 客戶端回應服務端我也准備好了，可以通信了

TCP/IP協議是網絡間通信的基礎協議，在不同編程語言及不同操作系統下暴露的Socket接口用法也大同小異，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

• 實例化Socket
• 把公共地址端口綁定操作系統上
• 開始監聽綁定的端口
• 等待客戶端連接

            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類型參數，它表示最大等待處理連接的數量，表示已建立連接但還未處理的數量，每調用Accept函數一下即從這個等待隊列中拿出一個連接。 通常服務端要服務多個客戶端請求的連接，所以會循環從等待隊列中拿出連接，進行接收發送。 

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

多線程並發

上面的服務端程序處理接收和發送消息都是在當前線程下完成的，這意味着要處理完一個客戶端連接后才能去處理下一個連接，如果當前連接是進行數據庫或者文件讀取寫入等IO操作，那會極大浪費服務器的CPU資源，降低了服務器吞吐量。

            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，當監聽到有新連接請求過來時，調用Accept()取出當前連接的socket，使用新的線程去處理接收和發送信息，這樣服務端就能實現並發處理多個客戶端了。 上述代碼中，在高並發下其實是有問題的，如果客戶端連接請求成千上萬個，那線程數量也會有這么多，每個線程的棧空間都需要消耗部分內存，再加上線程上下文切換，容易導致服務器負載過高，吞吐量大大下降，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，默認是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一個新進程去處理客戶端的連接：

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

創建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函數起到接受到客戶端發過來的數據期間，該函數會一直阻塞等待着，這個阻塞期間處理流程如下：

1. 客戶端發送數據
2. 通過廣域網局域網發送到服務端機器網卡緩沖區上
3. 網卡驅動對CPU發送中斷指令
4. CPU把數據拷貝到內核緩沖區
5. CPU再把內核緩沖區的數據拷貝用戶緩沖區，上面的receive字節數組。

至此處理成功，開始處理下一個連接請求。 調用發送函數同樣會阻塞在當前，然后把用戶緩沖區(send字節數組)數據拷貝到內核中TCP發送緩沖區中。 TCP的發送緩沖區也有一定的大小限制，如果發送的數據大於該限制，send函數會一直等待發送緩沖區有空閑時完全拷貝完才會返回，繼續處理后續連接請求。