Windows网络模型中的select模型和事件选择模型

1 Select模型

1. select模型解决的问题是基本的C/S模型中，accept函数和recv函数傻等阻塞问题；
2. 另外还使服务器可以与多个客户端连接，与多个客户端分别通信
3. 除了傻等阻塞还有一种阻塞为执行阻塞，例如send()、recv()等函数执行的过程是执行阻塞的，但是这不是select模型解决的问题

• 基本的原理是：

  • 首先：服务器这边有两种SOCKET；一种是我们自己主动创建的SOCKET，暂称为服务器SOCKET，另一种是接收到客户端来连接之后又accept()函数返回的SOCKET，暂称为客户端通信SOCKET
  • 通过将服务器SOCKET和客户端通信SOCKET通通装进一个数据结构（数组）中，然后调用select函数，遍历数据结构中的SOCKET，当某个Socket有响应，再做相应的处理
  • 如果是服务器SOCKET---->调用accept
  • 如果是客户端通信SOCKET---->调用recv或send

• 上面所说的数据结构其实就是fd_set

  typedef struct fd_set {
          u_int fd_count;               	/* how many are SET? */
          SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */
  } fd_set;
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服务器：(前4步与基本C/S模式一样)

1. 打开网络库并校验

2. 创建服务器SOCKET

3. 绑定服务器的IP和PORT

4. 启动监听

5. 调用select()函数

   • 一般可以放在一个循环之中，循环调用select函数

   int WSAAPI select
   (
     int           nfds,		// 忽略，直接填0
     fd_set        *readfds,	// 这是一个双向参数，将fd_set的副本传址进去，函数执行结束后，该参数代表的数据中仅包含有可读响应的socket（如需要执行recv或accept）
     fd_set        *writefds,	// 同上，返回结果表示有可写响应的socket（进行send），可以填NULL
     fd_set        *exceptfds,	// 通常，表示有异常的socket
     const timeval *timeout	// 最长等待时间，NULL表示完全阻塞（等到客户端有响应才会返回）
   );
   // 返回值：		
   //	0 	表示客户端在等待时间内没有响应
   //	>0	表示客户端有有响应或请求
   // 	SOCKET_ERROR 表示出错
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结合select()函数的处理逻辑如下(伪代码)：

while(1){
	int res = select(...);
    if(res == 0) {
        // 表示客户端无响应
        continue;
    } else if (res > 0) {
        // 表示有响应
 		// 遍历响应select函数第二个参数的fd_set
        for(int i = 0; i < fdset.count; i++){
            // 如果是服务器socket  调用accept 与新的客户端建立连接
            if (fdset.array[i] == socketSever){
                SOCKET newsocket = accept(socketSever, NULL, 0);
                //将新的Socket装进全局的fdset
                FD_SET(newsocket, &allfdset);
            }
            // 如果是客户端通信socket，接收数据recv
            else {
                int nRes = recv(fdset.array[i], buffer, len, 0);
                printf(buffer);
            	// 如果检测到客户端正常下线则从全局fdset中删除以及应关闭全局fdset中的对应socket
            }
        }
    } else {
        // 出错处理
        // 在winsock中 强制下线也是错误的一种
    }
}
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客户端：同基本C/S一样

1. 打开网络库并校验
2. 创建SOCKET
3. 连接到服务器
4. 与服务器进行通信

总结：

• 所谓网络模型的不断优化，其本质就是在解决函数调用过程中的阻塞问题（傻等阻塞与执行阻塞）
• select模型解决的是基本C/S模型中的傻等阻塞（accept和recv）
  • accept函数在没有客户端前来连接的时候会一直阻塞等待，也就是傻等阻塞
  • recv函数进行通信，在对端没有发来数据的时候也就一直阻塞等待，也就是傻等阻塞
• 但是select函数本身也是阻塞的，这属于执行阻塞，recv和send在执行的时候造成的阻塞也是执行阻塞，比如数据有点多，在发送和接收数据时就会执行阻塞
• 通常在实际应用中用的最多的就是select函数的第2个参数，也即可读的socket响应

场景：

• ​ 小用户量访问，几十、几百，简单方便。

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如何回答对select模型的认识？

首先select模型是用在服务器端的，客户端代码并没有什么改变。

而最基本的服务器端的代码逻辑为①创建socket（socket()）、②绑定本地IP和端口号（bind）、③启动监听（Listen）、④接收来自客户端的连接（accept）、⑥连接建立成功后使用recv、send函数接收、发送数据（Unix系统上是read和send函数）

但存在一个问题：也即是accept函数以及recv函数都是阻塞的，而且是傻傻等待的那种，只要对方没有连接请求或发送数据，程序就卡死了

为了解决这个阻塞的问题，select模型就出现了：

• 通过ft_set以及相应的宏去操作fd_set，传递给select函数（参数2：关心可读socket，参数3：关心可写socket，参数4：关心异常socket）
• 可以通过循环反复调用select函数，根据select的返回参数，确定是否存在需要处理的socket，如果有就进行相应的处理。
• 如此就解决了accept函数与recv/read函数等存在的阻塞傻等问题，优化了程序

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2 事件选择模型（基于事件机制–核心是事件集合）

什么是事件机制？

答：

• Windows处理用户行为的两种方式之一
• 事件机制的核心是事件集合，程序员通过为某些行为或动作绑定一个事件（本质可能就是一个ID），我们通过调用相应的API函数创建事件；
• 然后将事件集合投递给操作系统，操作系统会帮我们监测这些事件，当事件发生时就将其设置为有信号；事件被响应后设置为无信号；
• 事件的响应是无序的，因此不一定会严格按照事件发生的顺序响应，有些最先发生的事件不一定最早被处理；最晚发生的事情也可能更早的被处理。

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Windows下的事件选择模型最具有代表性的API函数是WSAEventSelect()，可以简单理解为select()函数的升级版！

事件选择模型的逻辑：

1. 创建事件WSACreateEvent()，目前创建的事件没有绑定任何操作或动作的，是一个单纯的内核对象

2. 使用WSAEventSelect()绑定socket上的某个行为或操作并投递给操作系统监管，此时我们的程序可以去做其他的事情。因为这是一个异步的操作，就解决了select模型中select()函数本身执行阻塞的情况

   通过绑定某个 socket[参数1]的某个动作[参数3]到某个事件[参数2]上，将事件、行为与socket联系起来

   通常会创建一个结构如下：

   struct fd_es_set
   {
   	unsigned short count;						// 表示事件数目
   	SOCKET sockall[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];	// 表示socket数组
   	WSAEVENT evnetall[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];	// 表示event数组，与socket数组中相同下表处的元素一一对应
   };
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   服务器如果接收了新的连接，就会产生新的客户端通信Socket，然后创建新的事件并绑定到该socket之后投递给系统

   然后再添加到fd_es_set中

   为什么一定要创建fd_es_set呢？

   回答：为了获取有信号的事件，并进一步处理相应的socket，然后做出正确的动作

   int WSAAPI WSAEventSelect
   (
     SOCKET   s,				// 某个socket
     WSAEVENT hEventObject,	// 某个事件对象
     long     lNetworkEvents	// 某个动作  如：ACCEPT  READ  WRITE
   );
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3. 查询事件是否有信号—WSAWaitForMultipleEvents()

   一般的用法是循环的去询问~

   函数返回值指明有信号的事件在事件列表中的索引（其实是返回值 - WSA_WAIT_EVENT_0）

   事件列表是参数2

   DWORD WSAAPI WSAWaitForMultipleEvents(
     DWORD          cEvents,		// 有效事件数目
     const WSAEVENT *lphEvents,	// 事件列表
     BOOL           fWaitAll,		// true表示等待所有的事件有信号再返回  false表示任意一个事件有信号就返回
     DWORD          dwTimeout,		// 超时时间或者一直等待或者立即返回
     BOOL           fAlertable		// 重叠I/O模型填TRUE 否则填FALSE
   );
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4. 有信号时就分类处理WSAEnumNetworkEvents()

   注意：WSAWaitForMultipleEvents()只会返回一个事件索引，如果同时有多个事件有信号，会返回索引最小的事件

   获得有信号的事件以及对应的socket后，还需要知道是什么操作触发了信号，因此要使用WSAEnumNetworkEvents()函数

   该函数通过参数3lpNetworkEvents返回出信号的事件类型，也即具体操作

   int WSAAPI WSAEnumNetworkEvents(
     SOCKET             s,					// 有信号的事件绑定的socket
     WSAEVENT           hEventObject,		// 有信号的事件
     LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents	// 这是一个指针，本质是一个传出参数，其中返回了触发信号的具体操作
   );
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   之后就是基于NetWorkEvents的分类逻辑处理

关于内核对象：

①内核对象由操作系统在内核中申请，由操作系统进行访问，也就是说所有对内核对象的操作都需要经过系统调用

②创建和释放都需要调用相应的函数，如果没有释放，就会造成内核资源泄露，只能重启电脑才能解决

③常见的windows内核对象，socket、event、file、thread、Mutex、信号量等

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如何回答对事件选择模型的理解？

事件选择模型是基于事件机制的，事件机制的核心是事件集合，该模型是简单的select模型的升级版，解决了select模型中select()执行阻塞的问题。

通过将套接字socket和事件event以及相应的行为如，有客户端连接、socket可写可读等绑定在一起并投递给操作系统，让操作系统进行监测，如果有相应的行为或事件发生，该事件就会被置为有信号状态。

之后通过相应的API函数，获取到有信号的事件以及对应的socket。然后再调用API函数进一步获知触发事件的具体行为。

最后根据这些行为进行对应的业务处理，是该accept接收连接还是发送或接收数据等。

其中最关键的是将事件交给操作系统监测与程序执行本身是异步的，这就解决了select模型中select函数执行阻塞的问题。

推荐阅读：（二）Windows网络模型之异步选择模型(基于消息机制)