如何用Socket实现TCP/IP客户端
——实例浅析
1. 引言时下，互联网平民化，家电信息化，办公自动化，城市数字化。通信在人们的生活、工作、娱乐等各个方面起到了至关重要的作用。如今大多数程序，都可能要涉及到通信方面，可能是与自己开发的程序通信，也可能是与网络上的其它程序通信。TCP/IP是应用最为广泛的协议之一，下面我就如何用Socket实现TCP/IP客户端通信模块，将我个人在这方面实践的心得与读者分享。
2. WinSocket简介 2.1. 从Socket 1.1到Socket 2.0最初Window推出的Socket1.1只应用于当时流行的TCP/IP，不支持其它的传输协议。用Socket1.1实现的程序只支持两种类型的Socket，即面向连接的SOCK_STREAM类型和面向无连接的SOCK_DGRAM。
鉴于1.1版本的局限性，微软又开发了Socket 2.0。其中一个主要目的是想提供一个与协议无关的接口，全面满足多媒体实时通信的需要。这里注意到，Socket 2.0并不是一种协议，而是一种接口，它能发现多种可用的传输协议。因此，在Socket 2.0中加入了一些新函数，这些函数都是以WSA打头的。
Socket 2.0改变了它的体系结构，以便更容易访问多种传输协议。按照Windows的开放系统体系结构模型（WOSA）的原则，Socket 2.0定义出了标准的服务提供商接口（Service Provider Interface，SPI）。这些接口介于应用程序接口（Application Programming Interface, API）及协议栈（Protocol Stacks）之间，是给不同的服务提供商用的。程序中用的是API。如图 2‑1所示
图 2‑1 Socket 2.0体系结构
2.2. MFC对Socket API的封装在MFC中，有两个类对Socket API进行了封装，一个是CAsyncSocket，另一个是CSocket，其中CSocket是从CAsyncSocket继承而来的，因此，准确地说，只有CAsyncSocket才是真正对Socket API进行了封装。封装后的Socket抽象成为一个对象，使得程序员可以将Socket和MFC的其它类融合在一起。
如果要单独使用CAsyncSocket类，要求编程人员对Windows的Socket有较深刻的了解，因为它只是对Socket API进行封装，编程人员还要处理应用当中可能碰到的问题，如阻塞，字节顺序以及Unicode至多字节字符集（MBCS）的转换等。而且这些问题处理起来并不容易。
庆幸的是，CSocket使用起来就方便多了。一方面，它从CAsyncSocket类继承而来，相当于封装了Socket API；另一方面，该类处理了上述的问题，大大减少了编程人员的工作量。除此之外，CSocket还可以与CSocketFile和CArchive类一起使用，在某些场合极其方便。
3. 实例浅析用Socket实现TCP/IP通信的方法有多种，从大体上来说，可分为MFC和非MFC两种。顾名思义，MFC方式就是利用MFC中定义的两个类来实现，而非MFC则是指不利用那两个类实现。就方式而言，有同步和异步之别。而且，客户端与服务端的实现也大不相同。
接下来，我要谈到的例子就是笔者实现的一个客户端通信模块。该模块功能不多，一个是数据的接收和发送，另一个是重连机制，因为考虑到应用场合，不允许出现网络连接断开后，重新启动程序，而要求程序有自动重连的能力。
这个实例中一共有涉及到三个类（如图 3‑1所示），其名称及功能如下：
图 3‑1模块类图
CSockClient，完成连接建立，数据的接收和发送功能；CCommSvr，完成自定义的协议功能，数据打包、数据包解析及数据的分发等；CSyncData，处理线程间的数据同步问题。
在这里，我想结合一个客户端实例（MFC方式）以及实现过程中遇到的一些问题和读者一起探讨一下。
3.1. 由消息驱动数据接收接收Socket数据时，一般来说有几种方法，一是用一个线程循环调用Select函数，通过返回值判断是否有数据到来或是出现Socket错误。另外一种方式就是实现CAsyncSocket提供的虚拟函数OnRecevie，在该函数中调用其它函数接收数据，还有就是通过调用AsyncSelect函数，请求Socket将消息发送给指定的窗口，然后在窗口的消息处理函数中调用相应的函数接收数据。
对于第一种方法，大多数在非MFC方式下使用。而在MFC方式下，主要用后两种方法。对后两种方法而言，从根本上来说是一样的，只是接收消息的窗口不一样而已。也许大多数读者已经发现，实际上Socket本身有一个叫Socket Notification窗口，它是不可见的，但是可以接收并处理消息。
那么究竟如何区别后两种方法的使用呢？笔者认为，对于简单的客户端来说，可能数据的接收与发送都是在一个线程中完成的，这种情况下，可以考虑请求Socket将消息发送到主窗口，然后在主窗口中处理这些消息，如连接、接收数据等。即采用第三种方法
而对于得杂一点的客户端来说，由于数据的接收一般来说是在与主线程不同的线程中处理的，此时考虑到程序的模块化，不宜将Socket消息发送到主窗口中处理，因此应采用第二种方法，即实现CAsyncSocket提供的虚拟函数OnRecevie。
3.2. 线程间的数据同步线程同步是一个多线程编程中的一个重点和难点。线程间的数据同步有一个原则，就是要把要同步的数据集中起来考虑，尽量减少要同步的数据。同步的目的是要保证数据的有效性和完整性，直观的说，就是不出现两个或两个以下线程同时访问同一数据块。
在这个实例中，我专门用了一个类来实现数据的同步，叫CSyncData。实现的思想是这样的。通信模块只负责数据的解析和分发，不负责数据的处理。当通信模块接收到数据时，经通信模块解析确认为有效数据后，通信模块根据数据类型进行分发，一方面将数据放入到CSyncData实例中的相应链表中（比如，调用InsertAck）。这时就要进行同步，因为有可能将要访问的链表正在被其它线程访问。另一方面，发送消息给其它线程，通知有新的数据要处理。
其它线程接收到消息后，则要对数据进行处理。此时，首先要从链表中得到相应的数据（比如，GetAck），此时也要进行同步，因为也可能有其它线程在访问链表。
这样就把数据的同步集中在CSyncData中，由该类集中处理，结构清晰，而且不容易出错。具体的同步过程很简单，如：
// 将回执信息加入列表
void CSyncData::InsertAck(SACK* pAck)
{
CSingleLock lock(&m_csAck);
lock.Lock();
if (!lock.IsLocked()) return;
// 将数据加入列表
m_ackList.AddTail(pAck);
if (m_ackList.GetCount() > MAX_LIST_COUNT)
delete m_ackList.RemoveHead();
lock.Unlock();
}
// 从列表中取出一个到发点信息
SACK* CSyncData::GetAck()
{
SACK* pAck = NULL;
CSingleLock lock(&m_csAck);
lock.Lock();
if (!lock.IsLocked()) return NULL;
// 将数据从列表中取出
if (m_ackList.GetCount())
pAck = m_ackList.RemoveHead();
lock.Unlock();
return pAck;
}
3.3. 处理Pending消息也许读者碰到过这样的问题。当你的客户端程序试图与远端的程序建立连接，而目标主机IP地址又不存在时，程序会出现暂时的阻塞。当然，如果在用多线程的话，用户可能感觉不到。但如果此时，用户要退出程序呢？就会出现程序不能马上退出的现象。
原因在哪？是这样的。当你调用Connect函数试图与远端主机连接时，如果主机不存在，则Connect不会立即返回，大概要20秒左右。如果主机存在则不会出现这种情况。那么，此时如果要快速退出程序，怎么办呢？
CSocket类中提供了一个虚拟函数，OnMessasgePending。当Socket所在线程出现等待消息时，框架会调用该函数，让程序处理其它消息。这样就可以在实现该函数，以便快速退出程序了。代码如下：
BOOL CSockClient::OnMessagePending()
{
MSG msg;
if (::PeekMessage(&msg, NULL, WM_QUIT, WM_QUIT, PM_NOREMOVE))
{
if (IsBlocking()) CancelBlockingCall();
return TRUE;
}
return FALSE;
}
这样，如果在调用其它函数的情况下，出现阻塞了，也可以快速退出。
3.4. 如何快速定位帧头如果通信中涉及到的只是文本信息，可能不存在这种问题。但大多情况下，可能会用到自己定义的协议，这样就会出现帧头定位的问题。
通常的做法是，当有数据时，首先找帧头，一个接一个地检测，直到找到帧头。在正常的情况下，这种方法是可行的，但是有可能数据出错了，数据读完了，也没找到帧头。这样程序一直在等待数据，直到下一帧数据到来。此时如果远端程序出错异常了，客户端就会无限的等待。当然，要退出程序还是问题。
笔者在碰到这种问题时，采取了以下方法：每当有数据到来时，我读一个字节，判断与帧头的定义是否一致，如果是，继续。一旦发现不对，马上退出接收函数，等下一次消息时再检测。这样处理的好处是，基本上可以保证不会等待远端的数据，因为接收到消息后，至少有一个字节的数据。而且，在正常情况下，其效果与上面提到的方法一样。不足的是，如果数据出错了，会出现频繁地调用接收函数。但总比“死等”要好。
3.5. Release版本下运行出错如果你在除主线程以外的线程中使用了CSocket，Release版本下可能无法运行，但Debug版本没问题。这是微软的问题。
解决的办法很简单，只要在线程初始化的时候，加入以下代码即可：
//在线程中初始化Socket。
#ifndef _AFXDLL
#define _AFX_SOCK_THREAD_STATE AFX_MODULE_THREAD_STATE
#define _afxSockThreadState AfxGetModuleThreadState()
_AFX_SOCK_THREAD_STATE* pState = _afxSockThreadState;
if (pState->m_pmapSocketHandle == NULL)
pState->m_pmapSocketHandle = new CMapPtrToPtr;
if (pState->m_pmapDeadSockets == NULL)
pState->m_pmapDeadSockets = new CMapPtrToPtr;
if (pState->m_plistSocketNotifications == NULL)
pState->m_plistSocketNotifications = new CPtrList;
#endif
4. 总结通信模块对很多程序来说，可能是一个很重要的模块。一个好的通信模块不仅要高效，而且要健壮。通信是一个动态过程，情况比较复杂，调试起来也比较费劲，因此，要写出一个好的通信模块，必须下一定的苦功。
以上谈到的是我个人对Socket的一些浅薄的认识以及在实践过程的一点小小的经验。不足或不对之处，恳请各位同行多多指教。共勉!
来自北京三棵树软件技术有限公司
作者：HC.Kang
2002-07-02
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