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C#实现的多线程异步Socket数据包接收器框架

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

转载自Csdn : http://blog.csdn.net/jubao_liang/article/details/4005438

几天前在博问中看到一个C# Socket问题,就想到笔者2004年做的一个省级交通流量接收服务器项目,当时的基本求如下:

  • 接收自动观测设备通过无线网卡、Internet和Socket上报的交通量数据包
  • 全年365*24运行的自动观测设备5分钟上报一次观测数据,每笔记录约2K大小
  • 规划全省将有100个左右的自动观测设备(截止2008年10月还只有30个)

      当时,VS2003才发布年多,笔者也是接触C#不久。于是Google了国内国外网,希望找点应用C#解决Socket通信问题的思路和代码。最后,找 到了两篇帮助最大的文章:一篇是国人写的Socket接收器框架,应用了独立的客户端Socket会话(Session)概念,给笔者提供了一个接收服务 器的总体框架思路;另一篇是美国人写的,提出了多线程、分段接收数据包的技术方案,描述了多线程、异步Socket的许多实现细节,该文坚定了笔者采用多 线程和异步方式处理Socket接收器的技术路线。

     具体实现和测试时笔者还发现,在Internet环境下的Socket应用中,需要系统有极强的容错能力:没有办法控制异常,就必须允许它们存在(附加源 代码中可以看到,try{}catch{}语句较多)。对此,笔者设计了一个专门的检查和清理线程,完成无效或超时会话的清除和资源释放工作。

     依稀记得,国内框架作者的名称空间有ibm,认为是IBM公司职员,通过邮件后才知道其人在深圳。笔者向他请教了几个问题,相互探讨了几个技术关键点。可 惜,现在再去找,已经查不到原文和邮件了。只好借此机会,将本文献给这两个素未谋面的技术高人和同行,也盼望拙文或源码能给读者一点有用的启发和帮助。

1、主要技术思路

     整个系统由三个核心线程组成,并由.NET线程池统一管理:

  • 侦听客户端连接请求线程:ListenClientRequest(),循环侦听客户端 连接请求。如果有,检测该客户端IP,看是否是同一观测设备,然后建立一个客户端TSession对象,并通过Socket异步调用方法 BeginReceive()接收数据包、EndReceive()处理数据包
  • 数据包处理线程:HandleDatagrams(),循环检测数据包队列_datagramQueue,完成数据包解析、判断类型、存储等工作
  • 客户端状态检测线程:CheckClientState(),循环检查客户端会话表_sessionTable,判断会话对象是否有效,设置超时会话关闭标志,清楚无效会话对象及释放其资源

2、主要类简介

     系统主要由3个类组成:

  • TDatagramReceiver(数据包接收服务器):系统的核心进程类,建立Socket连接、处理与存储数据包、清理系统资源,该类提供全部的public属性和方法
  • TSession(客户端会话):由每个客户端的Socket对象组成,有自己的数据缓冲区,清理线程根据该对象的最近会话时间判断是否超时
  • TDatagram(数据包类):判断数据包类别、解析数据包

3、关键函数和代码

     下面简介核心类TDatagramReceiver的关键实现代码。

3.1  系统启动

      系统启动方法StartReceiver()首先清理资源、创建数据库连接、初始化若干计数值,然后创建服务器端侦听Socket对象,最后调用静态方法ThreadPool.QueueUserWorkItem()在线程池中创建3个核心处理线程。


/// <summary>
///  启动接收器
/// </summary>
public bool StartReceiver()
{
    
try
    {
        _stopReceiver 
= true;

        
this.Close();

        
if (!this.ConnectDatabase()) return false;

        _clientCount 
= 0;
        _datagramQueueCount 
= 0;
        _datagramCount 
= 0;
        _errorDatagramCount 
= 0;
        _exceptionCount 
= 0;

        _sessionTable 
= new Hashtable(_maxAllowClientCount);
        _datagramQueue 
= new Queue<TDatagram>(_maxAllowDatagramQueueCount);

        _stopReceiver 
= false;  // 循环中均要该标志

        
if (!this.CreateReceiverSocket())  //建立服务器端 Socket 对象
        {
            
return false;
        }

        
// 侦听客户端连接请求线程, 使用委托推断, 不建 CallBack 对象
        if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(ListenClientRequest))
        {
            
return false;
        }

        
// 处理数据包队列线程
        if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(HandleDatagrams))
        {
            
return false;
        }

        
// 检查客户会话状态, 长时间未通信则清除该对象
        if (!ThreadPool.QueueUserWorkItem(CheckClientState))
        {
            
return false;
        }

        _stopConnectRequest 
= false;  // 启动接收器,则自动允许连接
    }
    
catch
    {
        
this.OnReceiverException();
        _stopReceiver 
= true;
    }
    
return !_stopReceiver;
}

      下面是创建侦听Socket对象的方法代码。


/// <summary>
/// 创建接收服务器的 Socket, 并侦听客户端连接请求
/// </summary>
private bool CreateReceiverSocket()
{
    
try
    {
        _receiverSocket 
= new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        _receiverSocket.Bind(
new IPEndPoint(IPAddress.Any, _tcpSocketPort));  // 绑定端口
        _receiverSocket.Listen(_maxAllowListenQueueLength);  // 开始监听

        
return true;
    }
    
catch
    {
        
this.OnReceiverException();
        
return false;
    }
}

3.2  侦听客户端连接请求

      服务器端循环等待客户端连接请求。一旦有请求,先判断客户端连接数是否超限,接着检测该客户端IP地址,一切正常后建立TSession对象,并调用异步方法接收客户端Socket数据包。

      代码中,Socket读到数据时的回调AsyncCallback委托方法EndReceiveData()完成数据接收工作,正常情况下启动另一个异步BeginReceive()调用。

      .NET中,每个异步方法都有自己的独立线程,异步处理其实也基于多线程机制的。下面代码中的异步套异步调用,既占用较大的系统资源,也给处理带来意想不到的结果,更是出现异常时难以控制和处理的关键所在。


/// <summary>
/// 循环侦听客户端请求,由于要用线程池,故带一个参数
/// </summary>
private void ListenClientRequest(object state)
{
    Socket client 
= null;
    
while (!_stopReceiver)
    {
        
if (_stopConnectRequest)  //  停止客户端连接请求
        {
            
if (_receiverSocket != null)
            {
                
try
                {
                    _receiverSocket.Close();  
// 强制关闭接收器
                }
                
catch
                {
                    
this.OnReceiverException();
                }
                
finally
                {
                    
// 必须为 null,否则 disposed 对象仍然存在,将引发下面的错误
                    _receiverSocket = null;
                }
            }
            
continue;
        }
        
else
        {
            
if (_receiverSocket == null)
            {
                
if (!this.CreateReceiverSocket())
                {
                    
continue;
                }
            }
        }

        
try
        {
            
if (_receiverSocket.Poll(_loopWaitTime, SelectMode.SelectRead))
            {
                
// 频繁关闭、启动时,这里容易产生错误(提示套接字只能有一个)
                client = _receiverSocket.Accept();

                
if (client != null && client.Connected)
                {
                    
if (this._clientCount >= this._maxAllowClientCount)
                    {
                        
this.OnReceiverException();

                        
try
                        {
                            client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                            client.Close();
                        }
                        
catch { }
                    }
                    
else if (CheckSameClientIP(client))  // 已存在该 IP 地址
                    {
                        
try
                        {
                            client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                            client.Close();
                        }
                        
catch { }
                    }
                    
else
                    {
                        TSession session 
= new TSession(client);
                        session.LoginTime 
= DateTime.Now;

                        
lock (_sessionTable)
                        {
                            
int preSessionID = session.ID;
                            
while (true)
                            {
                                
if (_sessionTable.ContainsKey(session.ID))  // 有可能重复该编号
                                {
                                    session.ID 
= 100000 + preSessionID;
                                }
                                
else
                                {
                                    
break;
                                }
                            }
                            _sessionTable.Add(session.ID, session);  
// 登记该会话客户端
                            Interlocked.Increment(ref _clientCount);
                        }

                        
this.OnClientRequest();

                        
try  // 客户端连续连接或连接后立即断开,易在该处产生错误,系统忽略之
                        {
                            
// 开始接受来自该客户端的数据
                            session.ClientSocket.BeginReceive(session.ReceiveBuffer, 0
                                session.ReceiveBufferLength, SocketFlags.None, EndReceiveData, session);
                        }
                        
catch
                        {
                            session.DisconnectType 
= TDisconnectType.Exception;
                            session.State 
= TSessionState.NoReply;
                        }
                    }
                }
                
else if (client != null)  // 非空,但没有连接(connected is false)
                {
                    
try
                    {
                        client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                        client.Close();
                    }
                    
catch { }
                }
            }
        }
        
catch
        {
            
this.OnReceiverException();

            
if (client != null)
            {
                
try
                {
                    client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                    client.Close();
                }
                
catch { }
            }
        }
        
// 该处可以适当暂停若干毫秒
    }
    
// 该处可以适当暂停若干毫秒
}

3.3  处理数据包

      该线程循环查看数据包队列,完成数据包的解析与存储等工作。具体实现时,如果队列中没有数据包,可以考虑等待若干毫秒,提高CPU利用率。


private void HandleDatagrams(object state)
{
    
while (!_stopReceiver)
    {
        
this.HandleOneDatagram();  // 处理一个数据包

        
if (!_stopReceiver)
        {
            
// 如果连接关闭,则重新建立,可容许几个连接错误出现
            if (_sqlConnection.State == ConnectionState.Closed)
            {
                
this.OnReceiverWork();

                
try
                {
                    _sqlConnection.Open();
                }
                
catch
                {
                    
this.OnReceiverException();
                }
            }
        }
    }
}

/// <summary>
/// 处理一个包数据,包括:验证、存储
/// </summary>
private void HandleOneDatagram()
{
    TDatagram datagram 
= null;

    
lock (_datagramQueue)
    {
        
if (_datagramQueue.Count > 0)
        {
            datagram 
= _datagramQueue.Dequeue();  // 取队列数据
            Interlocked.Decrement(ref _datagramQueueCount);
        }
    }

    
if (datagram == nullreturn;

    datagram.Clear();
    datagram 
= null;  // 释放对象
}

3.4  检查与清理会话

 

      本线程负责处理建立连接后的客户端会话TSession或Socket对象的关闭与资源清理工作,其它方法中出现异常等情况,尽可能标记相关TSession对象的属性NoReply=true,表示该会话已经无效、需要清理。

       检查会话队列并清理资源分3步:第一步,Shutdown()客户端Socket,此时可能立即触发某些Socket的异步方法 EndReceive();第二步,Close()客户端Socket,释放占用资源;第三步,从会话表中清除该会话对象。其中,第一步完成后,某个 TSession也许不会立即到第二步,因为可能需要处理其异步结束方法。

      需要指出, 由于涉及多线程处理,需要频繁加解锁操作,清理工作前先建立一个会话队列列副本sessionTable2,检查与清理该队副本列列的TSession对象。


/// <summary>
/// 检查客户端状态(扫描方式,若长时间无数据,则断开)
/// </summary>
private void CheckClientState(object state)
{
    
while (!_stopReceiver)
    {
        DateTime thisTime 
= DateTime.Now;

        
// 建立一个副本 ,然后对副本进行操作
        Hashtable sessionTable2 = new Hashtable();
        
lock (_sessionTable)
        {
            
foreach (TSession session in _sessionTable.Values)
            {
                
if (session != null)
                {
                    sessionTable2.Add(session.ID, session);
                }
            }
        }

        
foreach (TSession session in sessionTable2.Values)  // 对副本进行操作
        {
            Monitor.Enter(session);
            
try
            {
                
if (session.State == TSessionState.NoReply)  // 分三步清除一个 Session
                {
                    session.State 
= TSessionState.Closing;
                    
if (session.ClientSocket != null)
                    {
                        
try
                        {
                            
// 第一步:shutdown
                            session.ClientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                        }
                        
catch { }
                    }
                }
                
else if (session.State == TSessionState.Closing)
                {
                    session.State 
= TSessionState.Closed;
                    
if (session.ClientSocket != null)
                    {
                        
try
                        {
                            
// 第二步: Close
                            session.ClientSocket.Close();
                        }
                        
catch { }
                    }
                }
                
else if (session.State == TSessionState.Closed)
                {

                    
lock (_sessionTable)
                    {
                        
// 第三步:remove from table
                        _sessionTable.Remove(session.ID);
                        Interlocked.Decrement(
ref _clientCount);
                    }

                    
this.OnClientRequest();
                    session.Clear();  
// 清空缓冲区
                }
                
else if (session.State == TSessionState.Normal)  // 正常的会话 
                {

                    TimeSpan ts 
= thisTime.Subtract(session.LastDataReceivedTime);
                    
if (Math.Abs(ts.TotalSeconds) > _maxSocketDataTimeout)  // 超时,则准备断开连接
                    {
                        session.DisconnectType 
= TDisconnectType.Timeout;
                        session.State 
= TSessionState.NoReply;  // 标记为将关闭、准备断开
                    }
                }
            }
            
finally
            {
                Monitor.Exit(session);
            }
        }  
// end foreach

        sessionTable2.Clear();
    }  
// end while
} 

4 、结语

     基于多线程处理的系统代价是比较大的,需要经常调用加/解锁方法lock()或Monitor.Enter(),需要经常创建处理线程等。从实际运行效果 看,笔者的实现方案有较好的稳定性:2005年4月到5月间,在一个普通PC机器上连续运行30多天不出一点故障。同时,笔者采用了时序区间判重等算法, 有效地提高了系统处理与响应速度。测试表明,在普通的PC机器(P4 2.0)上,可以做到0.5秒处理一个数据包,如果优化代码和服务器,还有较大的性能提升空间。

     上面的代码是笔者实现的省级公路交通流量数据服务中心(DSC)项目中的接收服务器框架部分,整个系统还包括:数据转发交通部的转发服务器、数据远程查询客户端、综合报表数据处理系统、数据在线发布系统、系统运行监控系统等。

     实际的接收服务器类及其辅助类超过3K行,整个系统则超过了60K。因为是早期实现的程序,难免有代码粗糙、方法欠妥的感觉,只有留待下个版本完善扩充 了。由于与甲方有保密合同和版权保护等,不可能公开全部源代码,删减也有不当之处,读者发现时请不吝指正。下面是带详细注释的代码下载URL。

     附注:笔者补充了有关数据包界限、间断、重叠等内容,请参考指正。

技术
 

     国庆假日的最后一天,用近9个小时写完了C# 实现的多线程异步Socket数据包接收器框架(包括删减代码的时间)。饭后散步回来再看,好家伙,有300多个Page Views了,超过笔者在codeproject上首日前几个小时的PV速度了。呵呵,如果发表在笔者原博客网上,估计就是自己反反复复修改记录的数十个PV了!终究是彼网牛人高手太多。

     散步时仔细想想该文,发觉有三个Socket通信中关键与著名的问题没有讲到或没有讲清楚:

  • 数据包界限符问题。根据原项目中交通部标准,在连续观测站中数据包中,使用<>两个字符表示有效数据包开始和结束。实际项目有各自的具体技术规范
  • 数据包不连续问题。在TCP/IP等通信中,由于时延等原因,一个数据包被Socket做两次或多次接收,此时在接收第一个包后,必须保存到TSession的DatagramBuffer中,在以后一并处理
  • 包并发与重叠问题。由于客户端发送过快或设备故障等原因,一次接收到一个半、两个或多个包文。此时,也需要处理、一个半、两个或多个包

     先补充异步BeginReceive()回调函数EndReceiveData()中的数据包分合函数ResolveBuffer()。


/// <summary>
/// 1) 报文界限字符为<>,其它为合法字符, 
/// 2) 按报文头、界限标志抽取报文,可能合并包文
/// 3) 如果一次收完数据,此时 DatagramBuffer 为空
/// 4) 否则转存到包文缓冲区 session.DatagramBuffer
/// </summary>
private void ResolveBuffer(TSession session, int receivedSize)
{
    
// 上次留下的报文缓冲区非空(注意:必然含有开始字符 <,空时不含 <)
    bool hasBeginChar = (session.DatagramBufferLength > 0); 

    
int packPos = 0;  // ReceiveBuffer 缓冲区中包的开始位置
    int packLen = 0;  // 已经解析的接收缓冲区大小

    
byte dataByte = 0;  // 缓冲区字节
    int subIndex = 0;   // 缓冲区下标

    
while (subIndex < receivedSize)
    {
        
// 接收缓冲区数据,要与报文缓冲区 session.DatagramBuffer 同时考虑
        dataByte = session.ReceiveBuffer[subIndex];
        
        
if (dataByte == TDatagram.BeginChar) // 是数据包的开始字符<,则前面的包文均要放弃
        {
            
// <前面有非空串(包括报文缓冲区),则前面是错包文,防止 AAA<A,1,A> 两个报文一次读现象
            if (packLen > 0)  
            {
                Interlocked.Increment(
ref _datagramCount);       // 前面有非空字符
                Interlocked.Increment(ref _errorDatagramCount);  // 一个错误包
                this.OnDatagramError();
            }
            session.ClearDatagramBuffer();  
// 清空会话缓冲区,开始一个新包

            packPos 
= subIndex;   // 新包起点,即<所在位置
            packLen = 1;          // 新包的长度(即<)
            hasBeginChar = true;  // 新包有开始字符
        }        
        
else if (dataByte == TDatagram.EndChar)  // 数据包的结束字符 >
        {
            
if (hasBeginChar)  // 两个缓冲区中有开始字符<
            {
                
++packLen;  // 长度包括结束字符>

                
// >前面的为正确格式的包,则分析该包,并准备加入包队列
                AnalyzeOneDatagram(session, packPos, packLen);

                packPos 
= subIndex + 1;  // 新包起点。注意:subIndex 在循环最后处 + 1
                packLen = 0;             // 新包长度
            }
            
else  // >前面没有开始字符,则认为结束字符>为一般字符,待后续的错误包处理
            {
                
++packLen;  //  hasBeginChar = false;
            }
        }
        
else  // 非界限字符<>,就是是一般字符,长度 + 1,待解析包处理
        {
            
++packLen;
        }
        
++subIndex;  // 增加下标号
    }  // end while

    
if (packLen > 0)  // 剩下的待处理串,分两种情况
    {
        
// 剩下包文,已经包含首字符且不超长,转存到包文缓冲区中,待下次处理
        if (hasBeginChar && packLen + session.DatagramBufferLength <= _maxDatagramSize)
        {
            session.CopyToDatagramBuffer(packPos, packLen);
        }
        
else  // 不含首字符,或超长
        {
            Interlocked.Increment(
ref _datagramCount);
            Interlocked.Increment(
ref _errorDatagramCount);

            
this.OnDatagramError();
            session.ClearDatagramBuffer();  
// 丢弃全部数据
        }
    }
}
     

     分析包文AnalyzeOneDatagram()函数代码补充如下:

>格式的数据包加入到队列中
/// </summary>
private void AnalyzeOneDatagram(TSession session, int packPos, int packLen)
{
    
if (packLen + session.DatagramBufferLength > _maxDatagramSize)  // 超过长度限制
    {
        Interlocked.Increment(
ref _datagramCount);
        Interlocked.Increment(
ref _errorDatagramCount);
        
this.OnDatagramError();
    }
    
else // 一个首尾字符相符的包,此时需要判断其类型
    {
        Interlocked.Increment(
ref _datagramCount);
        TDatagram datagram 
= new TDatagram();

        
if (!datagram.CheckDatagramKind())  // 包格式错误(只能是短期BG、或长期SG包)
        {
            Interlocked.Increment(
ref _datagramCount);
            Interlocked.Increment(
ref _errorDatagramCount);
            
this.OnDatagramError();
            datagram 
= null;  // 丢弃当前包
        }
        
else  // 实时包、定期包,先解析数据,判断正误,并发回确认包
        {
            datagram.ResolveDatagram();
            
if (true)  // 正确的包才入包队列
            {
                Interlocked.Increment(
ref _datagramQueueCount);
                
lock (_datagramQueue)
                {
                    _datagramQueue.Enqueue(datagram);  
// 数据包入队列
                }
            }
            
else
            {
                Interlocked.Increment(
ref _errorDatagramCount);
                
this.OnDatagramError();
            }
        }
    }
    session.ClearDatagramBuffer();  
// 清包文缓冲区
}

     TSession的拷贝转存数据包文的方法CopyToDatagramBuffer()代码如下:


/// <summary>
/// 拷贝接收缓冲区的数据到数据缓冲区(即多次读一个包文)
/// </summary>
public void CopyToDatagramBuffer(int startPos, int packLen)  
{
    
int datagramLen = 0;
    
if (DatagramBuffer != null) datagramLen = DatagramBuffer.Length;

    
// 调整长度(DataBuffer 为 null 不会出错)
    Array.Resize(ref DatagramBuffer, datagramLen + packLen);

    
// 拷贝到数据就缓冲区
    Array.Copy(ReceiveBuffer, startPos, DatagramBuffer, datagramLen, packLen);
}

     代码中注释比较详细了,下面指出其思路:

  • 使用TSession会话对象的字节数组ReceiveBuffer保存BeginReceiver()接收到的数据,使用 字节数组DatagramBuffer保存一次接收后分解或合并的剩下的包文。本项目中,由于是5分钟一个包,正常情况下不需要用到 DatagramBuffer数组
  • 处理ReceiveBuffer中的字节数据包时,先考虑DatagramBuffer是否有开始字符<。如果有,则当前包文是前个包文的补充,否则前个包文是错误的。正确的包文可能存在于两个缓冲区中,见分析函数AnalyzeOneDatagram()
  • 分析完接收数据包后,剩下的转存到DatagramBuffer中,见函数CopyToDatagramBuffer()

     设计时考虑的另一个重要问题就是处理速度。如果自动观测站达到100个,此时5*60=300秒钟就有100个包,即每3秒种一个包,不存在处理速度慢问 题。但是,真正耗时的是判断包是否重复!特别地,当设备故障时存在混乱上传数据包现象,此时将存在大量的重复包。笔者采用了所谓的区间判重算法,较好地解 决了判重速度问题,使得系统具有很好的可伸缩性(分析算法的论文被EI核心版收录,呵呵,意外收获)。事实上,前年的交通部接收服务器还不具备该项功能, 可能是太费时间了。

     还有,就是在.NET Framework的托管CLR下,系统本身的响应速度如何?当时的确没有把握,认为只要稳定性和速度满足要求就行了。三年半运行情况表明,系统有良好的处理速度、很好的稳定性、满足了部省要求。


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