1、MFC中SOCKET类的设计和实现14. SOCKET类的设计和实现 1. WinSock基本知识 这里不打算系统地介绍socket或者WinSock的知识。首先介绍WinSock API函数，讲解阻塞/非阻塞的概念；然后介绍socket的使用。1. WinSock API Socket接口是网络编程（通常是TCP/IP协议，也可以是其他协议）的API。最早的Socket接口是Berkeley接口，在Unxi操作系统中实现。WinSock也是一个基于Socket模型的API，在Microsoft Windows操作系统类中使用。它在Berkeley接口函数的基础之上，还增加了基于消息驱动机制的
2、Windows扩展函数。Winscok1.1只支持TCP/IP网络，WinSock2.0增加了对更多协议的支持。这里，讨论TCP/IP网络上的API。Socket接口包括三类函数：第一类是WinSock API包含的Berkeley socket函数。这类函数分两部分。第一部分是用于网络I/O的函数，如accept、Closesocket、connect、recv、recvfrom、Select、Send、Sendto另一部分是不涉及网络I/O、在本地端完成的函数，如bind、getpeername、getsockname、getsocketopt、htonl、htons、inet_addr、
3、inet_ntonioctlsocket、listen、ntohl、ntohs、setsocketopt、shutdow、socket等第二类是检索有关域名、通信服务和协议等Internet信息的数据库函数，如gethostbyaddr、gethostbyname、gethostname、getprotolbynamegetprotolbynumber、getserverbyname、getservbyport。第三类是Berkekley socket例程的Windows专用的扩展函数，如gethostbyname对应的WSAAsynGetHostByName（其他数据库函数除了gethost
4、name都有异步版本），select对应的WSAAsynSelect，判断是否阻塞的函数WSAIsBlocking，得到上一次Windsock API错误信息的WSAGetLastError，等等。从另外一个角度，这些函数又可以分为两类，一是阻塞函数，一是非阻塞函数。所谓阻塞函数，是指其完成指定的任务之前不允许程序调用另一个函数，在Windows下还会阻塞本线程消息的发送。所谓非阻塞函数，是指操作启动之后，如果可以立即得到结果就返回结果，否则返回表示结果需要等待的错误信息，不等待任务完成函数就返回。首先，异步函数是非阻塞函数；其次，获取远地信息的数据库函数是阻塞函数（因此，WinSock提供了
5、其异步版本）；在Berkeley socket函数部分中，不涉及网络I/O、本地端工作的函数是非阻塞函数；在Berkeley socket函数部分中，网络I/O的函数是可阻塞函数，也就是它们可以阻塞执行，也可以不阻塞执行。这些函数都使用了一个socket，如果它们使用的socket是阻塞的，则这些函数是阻塞函数；如果它们使用的socket是非阻塞的，则这些函数是非阻塞函数。创建一个socket时，可以指定它是否阻塞。在缺省情况下，Berkerley的Socket函数和WinSock都创建“阻塞”的socket。阻塞socket通过使用select函数或者WSAAsynSelect函数在指定操作
6、下变成非阻塞的。WSAAsyncSelect函数原型如下。int WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd, u_int wMsg, long lEvent );其中，参数1指定了要操作的socket句柄；参数2指定了一个窗口句柄；参数3指定了一个消息，参数4指定了网络事件，可以是多个事件的组合，如：FD_READ 准备读FD_WRITE 准备写FD_OOB 带外数据到达FD_ACCEPT 收到连接FD_CONNECT 完成连接FD_CLOSE 关闭socket。用OR操作组合这些事件值，如FD_READ|FD_WRITEWSAAsyncSelect函数表示对so
7、cket s监测lEvent指定的网络事件，如果有事件发生，则给窗口hWnd发送消息wMsg。假定应用程序的一个socket s指定了监测FD_READ事件，则在FD_READ事件上变成非阻塞的。当read函数被调用时，不管是否读到数据都马上返回，如果返回一个错误信息表示还在等待，则在等待的数据到达后，消息wMsg发送给窗口hWnd，应用程序处理该消息读取网络数据。对于异步函数的调用，以类似的过程最终得到结果数据。以gethostbyname的异步版本的使用为例进行说明。该函数原型如下：HANDLE WSAAsyncGetHostByName( HWND hWnd, u_int wMsg, c
8、onst char FAR *name, char FAR *buf, int buflen );在调用WSAAsyncGetHostByName启动操作时，不仅指定主机名字name，还指定了一个窗口句柄hWnd，一个消息ID wMsg，一个缓冲区及其长度。如果不能立即得到主机地址，则返回一个错误信息表示还在等待。当要的数据到达时，WinSock DLL给窗口hWnd发送消息wMsg告知得到了主机地址，窗口过程从指定的缓冲区buf得到主机地址。使用异步函数或者非阻塞的socket，主要是为了不阻塞本线程的执行。在多进程或者多线程的情况下，可以使用两个线程通过同步手段来完成异步函数或者非阻塞函数
9、的功能。2. Socket的使用 WinSock以DLL的形式提供，在调用任何WinSock API之前，必须调用函数WSAStartup进行初始化，最后，调用函数WSACleanUp作清理工作。MFC使用函数AfxSocketInit包装了函数WSAStartup，在WinSock应用程序的初始化函数IninInstance中调用AfxSocketInit进行初始化。程序不必调用WSACleanUp。Socket是网络通信过程中端点的抽象表示。Socket在实现中以句柄的形式被创建，包含了进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，
10、远地进程的协议端口。要使用socket，首先必须创建一个socket；然后，按要求配置socket；接着，按要求通过socket接收和发送数据；最后，程序关闭此socket。 为了创建socket，使用socket函数得到一个socket句柄： socket_handle = socket(protocol_family. Socket_type, protocol);其中：protocol_family指定socket使用的协议，取值PF_INET，表示Internet(TCP/IP)协议族；Socket_type指socket面向连接或者使用数据报；第三个参数表示使用TCP或者UDP协议。
11、当一个socket被创建时，WinSock将为一个内部结构分配内存，在此结构中保存此socket的信息，到此，socket连接使用的协议已经确定。 创建了socket之后，配置socket。 对于面向连接的客户，WinSock自动保存本地IP地址和选择协议端口，但是必须使用connect函数配置远地IP地址和远地协议端口：result = connect(socket_handle, remote_socket_address, address_length)remote_socket_address是一个指向特定socket结构的指针，该地址结构为socket保存了地址族、协议端口、网络主机
12、地址。面向连接的服务器则使用bind指定本地信息，使用listen和accept获取远地信息。使用数据报的客户或者服务器使用bind给socket指定本地信息，在发送或者接收数据时指定远地信息。bind给socket指定一个本地IP地址和协议端口，如下：result = bind( socket_hndle, local_socket_address, address_length)参数类型同connect。函数listen监听bind指定的端口，如果有远地客户请求连接，使用accept接收请求，创建一个新的socket，并保存信息。socket_new = accept(socket_lis
13、ten, socket_address, address_length) 在socket配置好之后，使用socket发送或者接收数据。 面向连接的socket使用send发送数据，recv接收数据；使用数据报的socket使用sendto发送数据，recvfrom接收数据。1. MFC对WinSockt API的封装 MFC提供了两个类CAsyncSocket和CSocket来封装WinSock API，这给程序员提供了一个更简单的网络编程接口。CAsyncSocket在较低层次上封装了WinSock API，缺省情况下，使用该类创建的socket是非阻塞的socket，所有操作都会立即返回，
14、如果没有得到结果，返回WSAEWOULDBLOCK，表示是一个阻塞操作。CSocket建立在CAsyncSocket的基础上，是CAsyncSocket的派生类。也就是缺省情况下使用该类创建的socket是非阻塞的socket，但是CSocket的网络I/O是阻塞的，它在完成任务之后才返回。CSocket的阻塞不是建立在“阻塞”socket的基础上，而是在“非阻塞”socket上实现的阻塞操作，在阻塞期间，CSocket实现了本线程的消息循环，因此，虽然是阻塞操作，但是并不影响消息循环，即用户仍然可以和程序交互。1. CAsyncSocket CAsyncSocket封装了低层的WinSock
15、 API，其成员变量m_hSocket保存其对应的socket句柄。使用CAsyncSocket的方法如下：首先，在堆或者栈中构造一个CAsyncSocket对象，例如：CAsyncSocket sock；或者CAsyncSocket *pSock = new CAsyncSocket；其次，调用Create创建socket，例如：使用缺省参数创建一个面向连接的socketsock.Create() 指定参数参数创建一个使用数据报的socket，本地端口为30pSocket.Create(30, SOCK_DGRM)；其三，如果是客户程序，使用Connect连接到远地；如果是服务程序，使用Li
16、sten监听远地的连接请求。其四，使用成员函数进行网络I/O。最后，销毁CAsyncSocket，析构函数调用Close成员函数关闭socket。下面，分析CAsyncSocket的几个函数，从中可以看到它是如何封装低层的WinSock API，简化有关操作的；还可以看到它是如何实现非阻塞的socket和非阻塞操作。2. socket对象的创建和捆绑 （1）Create函数首先，讨论Create函数，分析socket句柄如何被创建并和CAsyncSocket对象关联。Create的实现如下：BOOL CAsyncSocket:Create(UINT nSocketPort, int nSock
17、etType,long lEvent, LPCTSTR lpszSocketAddress)if (Socket(nSocketType, lEvent)if (Bind(nSocketPort,lpszSocketAddress)return TRUE;int nResult = GetLastError();Close();WSASetLastError(nResult);return FALSE;其中：参数1表示本socket的端口，缺省是0，如果要创建数据报的socket，则必须指定一个端口号。参数2表示本socket的类型，缺省是SOCK_STREAM，表示面向连接类型。参数3是屏蔽
18、位，表示希望对本socket监测的事件，缺省是FD_READ | FD_WRITE | FD_OOB | FD_ACCEPT | FD_CONNECT | FD_CLOSE。参数4表示本socket的IP地址字符串，缺省是NULL。Create调用Socket函数创建一个socket，并把它捆绑在this所指对象上，监测指定的网络事件。参数2和3被传递给Socket函数，如果希望创建数据报的socket，不要使用缺省参数，指定参数2是SOCK_DGRM。如果上一步骤成功，则调用bind给新的socket分配端口和IP地址。（2）Socket函数接着，分析Socket函数，其实现如下：BOOL
19、CAsyncSocket:Socket(int nSocketType, long lEvent,int nProtocolType, int nAddressFormat)ASSERT(m_hSocket = INVALID_SOCKET);m_hSocket = socket(nAddressFormat,nSocketType,nProtocolType);if (m_hSocket != INVALID_SOCKET)CAsyncSocket:AttachHandle(m_hSocket, this, FALSE);return AsyncSelect(lEvent);return F
20、ALSE;其中：参数1表示Socket类型，缺省值是SOCK_STREAM。参数2表示希望监测的网络事件，缺省值同Create，指定了全部事件。参数3表示使用的协议，缺省是0。实际上，SOCK_STREAM类型的socket使用TCP协议，SOCK_DGRM的socket则使用UDP协议。参数4表示地址族（地址格式），缺省值是PF_INET（等同于AF_INET）。对于TCP/IP来说，协议族和地址族是同值的。在socket没有被创建之前，成员变量m_hSocket是一个无效的socket句柄。Socket函数把协议族、socket类型、使用的协议等信息传递给WinSock API函数sock
21、et，创建一个socket。如果创建成功，则把它捆绑在this所指对象。（3）捆绑（Attatch）捆绑过程类似于其他Windows对象，将在模块线程状态的WinSock映射中添加一对新的映射：this所指对象和新创建的socket对象的映射。另外，如果本模块线程状态的“socket窗口”没有创建，则创建一个，该窗口在异步操作时用来接收WinSock的通知消息，窗口句柄保存到模块线程状态的m_hSocketWindow变量中。函数AsyncSelect将指定该窗口为网络事件消息的接收窗口。函数AttachHandle的实现在此不列举了。（4）指定要监测的网络事件在捆绑完成之后，调用AsyncS
22、elect指定新创建的socket将监测的网络事件。AsyncSelect实现如下：BOOL CAsyncSocket:AsyncSelect(long lEvent)ASSERT(m_hSocket != INVALID_SOCKET);_AFX_SOCK_THREAD_STATE* pState = _afxSockThreadState;ASSERT(pState-m_hSocketWindow != NULL);return WSAAsyncSelect(m_hSocket, pState-m_hSocketWindow,WM_SOCKET_NOTIFY, lEvent) != SOC
23、KET_ERROR;函数参数lEvent表示希望监视的网络事件。_ afxSockThreadState得到的是当前的模块线程状态，m_ hSocketWindow是本模块在当前线程的“socket窗口”，指定监视m_hSocket的网络事件，如指定事件发生，给窗口m_hSocketWindow发送WM_SOCKET_NOTIFY消息。被指定的网络事件对应的网络I/O将是异步操作，是非阻塞操作。例如：指定FR_READ导致Receive是一个异步操作，如果不能立即读到数据，则返回一个错误WSAEWOULDBLOCK。在数据到达之后，WinSock通知窗口m_hSocketWindow，导致On
24、Receive被调用。指定FR_WRITE导致Send是一个异步操作，即使数据没有送出也返回一个错误WSAEWOULDBLOCK。在数据可以发送之后，WinSock通知窗口m_hSocketWindow，导致OnSend被调用。指定FR_CONNECT导致Connect是一个异步操作，还没有连接上就返回错误信息WSAEWOULDBLOCK，在连接完成之后，WinSock通知窗口m_hSocketWindow，导致OnConnect被调用。对于其他网络事件，就不一一解释了。所以，使用CAsyncSocket时，如果使用Create缺省创建socket，则所有网络I/O都是异步操作，进行有关网络I
25、/O时则必须覆盖以下的相关函数：OnAccept、OnClose、OnConnect、OnOutOfBandData、OnReceive、OnSend。（5）Bind函数经过上述过程，socket创建完毕，下面，调用Bind函数给m_hSocket指定本地端口和IP地址。Bind的实现如下：BOOL CAsyncSocket:Bind(UINT nSocketPort, LPCTSTR lpszSocketAddress)USES_CONVERSION;/使用WinSock的地址结构构造地址信息SOCKADDR_IN sockAddr;memset(&sockAddr,0,sizeof(soc
26、kAddr);/得到地址参数的值LPSTR lpszAscii = T2A(LPTSTR)lpszSocketAddress);/指定是Internet地址类型sockAddr.sin_family = AF_INET;if (lpszAscii = NULL)/没有指定地址，则自动得到一个本地IP地址/把32比特的数据从主机字节序转换成网络字节序sockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);else/得到地址DWORD lResult = inet_addr(lpszAscii);if (lResult = INADDR_NONE)WSASetLa
27、stError(WSAEINVAL);return FALSE;sockAddr.sin_addr.s_addr = lResult;/如果端口为0，则WinSock分配一个端口（10245000）/把16比特的数据从主机字节序转换成网络字节序sockAddr.sin_port = htons(u_short)nSocketPort);/Bind调用WinSock API函数bindreturn Bind(SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(sockAddr);其中：函数参数1指定了端口；参数2指定了一个包含本地地址的字符串，缺省是NULL。函数Bind首先使用结构SOCK
28、ADDR_IN构造地址信息。该结构的域sin_family表示地址格式（TCP/IP同协议族），赋值为AF_INET（Internet地址格式）；域sin_port表示端口，如果参数1为0，则WinSock分配一个端口给它，范围在1024和5000之间；域sin_addr是表示地址信息，它是一个联合体，其中s_addr表示如下形式的字符串，“28.56.22.8”。如果参数没有指定地址，则WinSock自动地得到本地IP地址（如果有几个网卡，则使用其中一个的地址）。（6）总结Create的过程首先，调用socket函数创建一个socket；然后把创建的socket对象映射到CAsyncSock
29、et对象（捆绑在一起），指定本socket要通知的网络事件，并创建一个“socket窗口”来接收网络事件消息，最后，指定socket的本地信息。下一步，是使用成员函数Connect连接远地主机，配置socket的远地信息。函数Connect类似于Bind，把指定的远地地址转换成SOCKADDR_IN对象表示的地址信息（包括网络字节序的转换），然后调用WinSock函数Connect连接远地主机，配置socket的远地端口和远地IP地址。3. 异步网络事件的处理 当网络事件发生时，“socket窗口”接收WM_SOCKET_NOTIFY消息，消息处理函数OnSocketNotify被调用。“so
30、cket窗口”的定义和消息处理是MFC实现的，这里不作详细的讨论。OnSocketNotify回调CAsyncSocket的成员函数DoCallBack，DoCallBack调用事件处理函数，如OnRead、OnWrite等。摘录DoCallBack的一段代码如下：switch (WSAGETSELECTEVENT(lParam)case FD_READ:DWORD nBytes;/得到可以一次读取的字节数pSocket-IOCtl(FIONREAD, &nBytes);if (nBytes != 0)pSocket-OnReceive(nErrorCode);break;case FD_WR
31、ITE:pSocket-OnSend(nErrorCode);break;case FD_OOB:pSocket-OnOutOfBandData(nErrorCode);break;case FD_ACCEPT:pSocket-OnAccept(nErrorCode);break;case FD_CONNECT:pSocket-OnConnect(nErrorCode);break;case FD_CLOSE:pSocket-OnClose(nErrorCode);break;lParam是WM_SOCKET_NOFITY的消息参数，OnSocketNotify传递给函数DoCallBack，表示通知事件。函数IOCtl是CAsyncSocket的成员函数，用来对socket的I/O进行控制。这里的使用表示本次调用Receive函数至多可以读nBytes个字节。从上面的讨论可以看出，从创建socket到网络I/O，CAsyncSocket直接封装了低层的WinSock API，简化了WinSock编程，实现了一个异步操作的界面。如果希望某个操作是阻塞操作，则在调用Create时
