c++应用网络编程之五Windows常用的网络IO模型

一、Windows的网络编程

其实对开发者而言，只有Windows和其它平台。做为一种普遍流行的图形OS，其一定会与类Linux的编程有着明显的区别，这点当然也会体现在网络编程上。Windows有着自己一套相对独立的上层Socket编程模型或者说框架，而且这么多年来，没有再看到有革命性的模型或者框架出现，这也是在Windows上进行网络编程的一个优势。同时，由于其的闭源性，使得其它许多想by pass的技术，只能由微软自己的主导，从而导致技术进步的缓慢甚至没有推动的动力。

二、Windows常用的IO模型

在Windows平台上，其通用的IO模型与前面分析的一致，但在一些常用的网络IO模型上，则可以分为以下几种：
1、select模型
其函数接口如下：

int WSAAPI select{int nfds;fd_set *readfds;fd_set *writefds;fd_set *exceptfds;const timeval *timeout;
};

此select模型和Linux平台上的select模型基本类似，只是有个别参数的设置可能略有不同，比如第一个参数“int nfds”，在Windows平台上无意义，而在Linux表示监控最大的句柄数，不过不影响具体的功能。其应用场景和缺点也是小并发，在高并发时，效率可能会急剧降低。
2、WSAAsyncSelect模型
其函数接口定义如下：

int WSAAsyncSelect([in] SOCKET s,[in] HWND   hWnd,[in] u_int  wMsg,[in] long   lEvent
);

此模型主要是为了适应Windows的消息通知机制。可能没有写过Windows编程的不知道，在Windows系统上，UI的通信基本都是消息方式传递的，宏定义基本以WM_XXX开头。它的缺点自然也就带着消息的缺点，一是消息自身的限制，如队列的大小、同步非同步以及需要有UI线程等，二是可能会丢失。所以其性能仍然比较低，需要较为复杂的UI线程共同处理。它也不适合高并的客户端连接。

3、WSAEventSelect模型
其函数接口定义如下：

int WSAAPI WSAEventSelect([in] SOCKET   s,[in] WSAEVENT hEventObject,[in] long     lNetworkEvents
);

一般来说，事件的处理都是有上限限制的，毕竟事件的机制受内核限制的。所以使用此模型，一个线程处理的事件上限为64个。它的优点在于支持事件编程，这个在Windows上是有专门的接口的。
其它应用场景也是中低并发场景，一般不宜超过百的量级。
4、重叠（overlapped）模型
这玩意儿其实就是异步IO的一种实现（重叠就是多个IO在一起被工作）。也就是常理解的IO与实际的操作分离。这样导致的结果就是可以利用多个线程的复用来管理大批的IO操作。即业务是业务，IO是IO。而非是同步IO中的线程与IO同步，造成线程的浪费。在Windows平台上提供了waitformultipleobjects和waitforsingleobject两个函数来处理对IO的监听。
它的优点很明显，对并发量处理上去了，但实际上，仍然在大量线程操作大量IO操作时，会产生不小的资源浪费，比如到了千以上级。
它的数据结构和相关函数定义如下：

typedef struct _WSAOVERLAPPED {DWORD    Internal;DWORD    InternalHigh;DWORD    Offset;DWORD    OffsetHigh;WSAEVENT hEvent;
} WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;
BOOL WSAAPI WSAGetOverlappedResult([in]  SOCKET          s,[in]  LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,[out] LPDWORD         lpcbTransfer,[in]  BOOL            fWait,[out] LPDWORD         lpdwFlags
);

5、完成端口模型（IOCP）
如果弄明白了上面的重叠IO，就很容易理解IOCP（Completion Port）。重叠IO需要人为的处理上层应用线程和下层的异步IO调度，这本身就是一个非常复杂和非常有难度的问题。小数量并发时，不会体现出来。不过也不会用IOCP，但在大数量时，这个现象就非常突出了。所以Windows自己提供了一套线程和数据队列的管理机制，用来处理异步IO与上层线程池的的数据交换和管理。
它的优点非常明显，可以非常好的平衡多线程和IO之间的平衡并在此过程中取得最大的优化。缺点也非常明显，复杂，不好调试。
下面看一下创建完成端口的函数：

HANDLE WINAPI CreateIoCompletionPort(_In_     HANDLE    FileHandle,_In_opt_ HANDLE    ExistingCompletionPort,_In_     ULONG_PTR CompletionKey,_In_     DWORD     NumberOfConcurrentThreads
);

使用完成端口还需要其它函数，这里不再介绍，待专门写完成端口时再进行分析和说明。

值得一提的是，其实上述的模型也属于IO多路复用的模型，就看从什么角度来划分了。另外，Windows平台上对传统的Socket进行了一系列的封装，这些封装可能对初学者来说不太友好，需要一个学习和适应的过程。

三、比较分析

WSAAsyncSelect和WSAEventSelect在底层的机制基本一是类似的。不同的在于得到网络通知时，一个用来使用Windows的消息机制，一个使用的是Windows的事件机制。很多没有在Windows上开发过的开发者可能不明白二者的不同。不过这不难，用到的时候儿仔细看一下即可。
overlapped模型实际中看到的应用非常少，也可能是经历比较少吧。但确实在开源的库和框架里也很罕见。它有点类似于IOCP出现前的一个半成品，IOCP出现后，小并发的基本前面几个模型就可以轻松应对，大的基本就上IOCP了。
IOCP在高并发服务端应用还是非常广泛的，它是一个纯异步IO模型即从上到下可以认为全是异步操作。这种操作等于隔离了IO操作和IO结果应用的实现。IO操作由系统实现，只有和上层应用通信即IO结果应用上才会发生状态和数据上的交换。其实就是将数据对IO的投递和接收队列化。由队列做为一种通信接口来实现应用线程与异步IO操作的交互，从而达到既隔离操作但又提供交互的机制。
需要说明一个问题，很多初学者甚至很多开发网络编程多年的开发者，都认为这些模型只用于服务端，其实不是的。不管是在什么平台，除非特别的约定或特定的情况下，都可以用在服务端和客户端。但一般情况下，由于这些模型相对来说要复杂不少，客户端的功能一般也比较弱小，所以大多还是使用普通的Socket编程来处理。

四、总结

在Windows平台上，网络高并发的开发，重点以游戏居多。其它的当然也可以做，毕竟IOCP可不是白给的。其实游戏行业是一个非常好的方向，开发者如果有兴趣的话可以深入的学习研究。当人们吃饱饭的时候儿，精神食粮就提到了必须的日程上来。至于游戏对青少年的影响，就看大环境了。
已经好多年不在Windows上进行编程了，以后的网络编程重要分析也是以类Linux平台为主。