【转】C#网络编程(异步传输字符串)

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这篇文章我们将前进一大步，使用异步的方式来对服务端编程，以使它成为一个真正意义上的服务器：可以为多个客户端的多次请求服务。但是开始之前，我们需要解决上一节中遗留的一个问题。

消息发送时的问题

这个问题就是：客户端分两次向流中写入数据（比如字符串）时，我们主观上将这两次写入视为两次请求；然而服务端有可能将这两次合起来视为一条请求，这在两个请求间隔时间比较短的情况下尤其如此。同样，也有可能客户端发出一条请求，但是服务端将其视为两条请求处理。下面列出了可能的情况，假设我们在客户端连续发送两条“Welcome to Tracefact.net!”，则数据到达服务端时可能有这样三种情况：

NOTE：在这里我们假设采用ASCII编码方式，因为此时上面的一个方框正好代表一个字节，而字符串到达末尾后为持续的0（因为byte是值类型，且最小为0）。

上面的第一种情况是最理想的情况，此时两条消息被视为两个独立请求由服务端完整地接收。第二种情况的示意图如下，此时一条消息被当作两条消息接收了：

而对于第三种情况，则是两条消息被合并成了一条接收：

如果你下载了上一篇文章所附带的源码，那么将Client2.cs进行一下修改，不通过用户输入，而是使用一个for循环连续的发送三个请求过去，这样会使请求的间隔时间更短，下面是关键代码：

string msg = "Welcome to TraceFact.Net!";

for (int i = 0; i <= 2; i++) {
    byte[] buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);     // 获得缓存
    try {
        streamToServer.Write(buffer, 0, buffer.Length); // 发往服务器
        Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);
    } catch (Exception ex) {
        Console.WriteLine(ex.Message);
        break;
    }
}

运行服务端，然后再运行这个客户端，你可能会看到这样的结果：

可以看到，尽管上面将消息分成了三条单独发送，但是服务端却将后两条合并成了一条。对于这些情况，我们可以这样处理：就好像HTTP协议一样，在实际的请求和应答内容之前包含了HTTP头，其中是一些与请求相关的信息。我们也可以订立自己的协议，来解决这个问题，比如说，对于上面的情况，我们就可以定义这样一个协议：

[length=XXX]：其中xxx是实际发送的字符串长度（注意不是字节数组buffer的长度），那么对于上面的请求，则我们发送的数据为：“[length=25]Welcome to TraceFact.Net!”。而服务端接收字符串之后，首先读取这个“元数据”的内容，然后再根据“元数据”内容来读取实际的数据，它可能有下面这样两种情况：

NOTE：我觉得这里借用“元数据”这个术语还算比较恰当，因为“元数据”就是用来描述数据的数据。

“[“”]”中括号是完整的，可以读取到length的字节数。然后根据这个数值与后面的字符串长度相比，如果相等，则说明发来了一条完整信息；如果多了，那么说明接收的字节数多了，取出合适的长度，并将剩余的进行缓存；如果少了，说明接收的不够，那么将收到的进行一个缓存，等待下次请求，然后将两条合并。
“[”“]”中括号本身就不完整，此时读不到length的值，因为中括号里的内容被截断了，那么将读到的数据进行缓存，等待读取下次发送来的数据，然后将两次合并之后再按上面的方式进行处理。

接下来我们来看下如何来进行实际的操作，实际上，这个问题已经不属于C#网络编程的内容了，而完全是对字符串的处理。所以我们不再编写服务端/客户端代码，直接编写处理这几种情况的方法：

public class RequestHandler {
    private string temp = string.Empty;

    public string[] GetActualString(string input) {
        return GetActualString(input, null);
    }

    private string[] GetActualString(string input, List<string> outputList) {
        if (outputList == null)
            outputList = new List<string>();

        if (!String.IsNullOrEmpty(temp))
            input = temp + input;

        string output = "";
        string pattern = @"(?<=^\[length=)(\d+)(?=\])";
        int length;

        if (Regex.IsMatch(input, pattern)) {

            Match m = Regex.Match(input, pattern);

            // 获取消息字符串实际应有的长度
            length = Convert.ToInt32(m.Groups[0].Value);

            // 获取需要进行截取的位置
            int startIndex = input.IndexOf(']') + 1;

            // 获取从此位置开始后所有字符的长度
            output = input.Substring(startIndex);

            if (output.Length == length) {
                // 如果output的长度与消息字符串的应有长度相等
                // 说明刚好是完整的一条信息
                outputList.Add(output);
                temp = "";
            } else if (output.Length < length) {
                // 如果之后的长度小于应有的长度，
                // 说明没有发完整，则应将整条信息，包括元数据，全部缓存
                // 与下一条数据合并起来再进行处理
                temp = input;
                // 此时程序应该退出，因为需要等待下一条数据到来才能继续处理

            } else if (output.Length > length) {
                // 如果之后的长度大于应有的长度，
                // 说明消息发完整了，但是有多余的数据
                // 多余的数据可能是截断消息，也可能是多条完整消息

                // 截取字符串
                output = output.Substring(0, length);
                outputList.Add(output);
                temp = "";

                // 缩短input的长度
                input = input.Substring(startIndex + length);

                // 递归调用
                GetActualString(input, outputList);
            }
        } else {    // 说明“[”，“]”就不完整
            temp = input;
        }

        return outputList.ToArray();
    }
}

这个方法接收一个满足协议格式要求的输入字符串，然后返回一个数组，这是因为如果出现多次请求合并成一个发送过来的情况，那么就将它们全部返回。随后简单起见，我在这个类中添加了一个静态的Test()方法和PrintOutput()帮助方法，进行了一个简单的测试，注意我直接输入了 length=13，这个是我提前计算好的。

public static void Test() {
    RequestHandler handler = new RequestHandler();
    string input;

    // 第一种情况测试 - 一条消息完整发送
    input = "[length=13]明天中秋，祝大家节日快乐！";
    handler.PrintOutput(input);

    // 第二种情况测试 - 两条完整消息一次发送
    input = "明天中秋，祝大家节日快乐！";
    input = String.Format
        ("[length=13]{0}[length=13]{0}", input);
    handler.PrintOutput(input);

    // 第三种情况测试A - 两条消息不完整发送
    input = "[length=13]明天中秋，祝大家节日快乐！[length=13]明天中秋";
    handler.PrintOutput(input);

    input = "，祝大家节日快乐！";
    handler.PrintOutput(input);

    // 第三种情况测试B - 两条消息不完整发送
    input = "[length=13]明天中秋，祝大家";
    handler.PrintOutput(input);

    input = "节日快乐！[length=13]明天中秋，祝大家节日快乐！";
    handler.PrintOutput(input);


    // 第四种情况测试 - 元数据不完整
    input = "[leng";
    handler.PrintOutput(input);     // 不会有输出

    input = "th=13]明天中秋，祝大家节日快乐！";
    handler.PrintOutput(input);

}

// 用于测试输出
private void PrintOutput(string input) {
    Console.WriteLine(input);
    string[] outputArray = GetActualString(input);
    foreach (string output in outputArray) {
        Console.WriteLine(output);
    }
    Console.WriteLine();
}

运行上面的程序，可以得到如下的输出：

OK，从上面的输出可以看到，这个方法能够满足我们的要求。对于这篇文章最开始提出的问题，可以很轻松地通过加入这个方法来解决，这里就不再演示了，但在本文所附带的源代码含有修改过的程序。在这里花费了很长的时间，接下来让我们回到正题，看下如何使用异步方式完成上一篇中的程序吧。

异步传输字符串

在上一篇中，我们由简到繁，提到了服务端的四种方式：服务一个客户端的一个请求、服务一个客户端的多个请求、服务多个客户端的一个请求、服务多个客户端的多个请求。我们说到可以将里层的while循环交给一个新建的线程去让它来完成。除了这种方式以外，我们还可以使用一种更好的方式――使用线程池中的线程来完成。我们可以使用BeginRead()、BeginWrite()等异步方法，同时让这BeginRead()方法和它的回调方法形成一个类似于while的无限循环：首先在第一层循环中，接收到一个客户端后，调用BeginRead()，然后为该方法提供一个读取完成后的回调方法，然后在回调方法中对收到的字符进行处理，随后在回调方法中接着调用BeginRead()方法，并传入回调方法本身。

由于程序实现功能和上一篇完全相同，我就不再细述了。

1.服务端的实现

当程序越来越复杂的时候，就需要越来越高的抽象，所以从现在起我们不再把所有的代码全部都扔进Main()里，这次我创建了一个RemoteClient类，它对于服务端获取到的TcpClient进行了一个包装：

public class RemoteClient {
    private TcpClient client;
    private NetworkStream streamToClient;
    private const int BufferSize = 8192;
    private byte[] buffer;
    private RequestHandler handler;

    public RemoteClient(TcpClient client) {
        this.client = client;

        // 打印连接到的客户端信息
        Console.WriteLine("\nClient Connected！{0} <-- {1}",
            client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);

        // 获得流
        streamToClient = client.GetStream();
        buffer = new byte[BufferSize];

        // 设置RequestHandler
        handler = new RequestHandler();

        // 在构造函数中就开始准备读取
        AsyncCallback callBack = new AsyncCallback(ReadComplete);
        streamToClient.BeginRead(buffer, 0, BufferSize, callBack, null);
    }

    // 再读取完成时进行回调
    private void ReadComplete(IAsyncResult ar) {
        int bytesRead = 0;
        try {
            lock (streamToClient) {
                bytesRead = streamToClient.EndRead(ar);
                Console.WriteLine("Reading data, {0} bytes ...", bytesRead);
            }
            if (bytesRead == 0) throw new Exception("读取到0字节");

            string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
            Array.Clear(buffer,0,buffer.Length);        // 清空缓存，避免脏读

            string[] msgArray = handler.GetActualString(msg);   // 获取实际的字符串

            // 遍历获得到的字符串
            foreach (string m in msgArray) {
                Console.WriteLine("Received: {0}", m);
                string back = m.ToUpper();

                // 将得到的字符串改为大写并重新发送
                byte[] temp = Encoding.Unicode.GetBytes(back);
                streamToClient.Write(temp, 0, temp.Length);
                streamToClient.Flush();
                Console.WriteLine("Sent: {0}", back);
            }

            // 再次调用BeginRead()，完成时调用自身，形成无限循环
            lock (streamToClient) {
                AsyncCallback callBack = new AsyncCallback(ReadComplete);
                streamToClient.BeginRead(buffer, 0, BufferSize, callBack, null);
            }
        } catch(Exception ex) {
            if(streamToClient!=null)
                streamToClient.Dispose();
            client.Close();
            Console.WriteLine(ex.Message);      // 捕获异常时退出程序
        }
    }
}

随后，我们在主程序中仅仅创建TcpListener类型实例，由于RemoteClient类在构造函数中已经完成了初始化的工作，所以我们在下面的while循环中我们甚至不需要调用任何方法：

class Server {
    static void Main(string[] args) {
        Console.WriteLine("Server is running ... ");
        IPAddress ip = new IPAddress(new byte[] { 127, 0, 0, 1 });
        TcpListener listener = new TcpListener(ip, 8500);

        listener.Start();           // 开始侦听
        Console.WriteLine("Start Listening ...");

        while (true) {
            // 获取一个连接，同步方法，在此处中断
            TcpClient client = listener.AcceptTcpClient();
            RemoteClient wapper = new RemoteClient(client);
        }
    }
}

好了，服务端的实现现在就完成了，接下来我们再看一下客户端的实现：

2.客户端的实现

与服务端类似，我们首先对TcpClient进行一个简单的包装，使它的使用更加方便一些，因为它是服务端的客户，所以我们将类的名称命名为ServerClient：

public class ServerClient {
    private const int BufferSize = 8192;
    private byte[] buffer;
    private TcpClient client;
    private NetworkStream streamToServer;
    private string msg = "Welcome to TraceFact.Net!";

    public ServerClient() {
        try {
            client = new TcpClient();
            client.Connect("localhost", 8500);      // 与服务器连接
        } catch (Exception ex) {
            Console.WriteLine(ex.Message);
            return;
        }
        buffer = new byte[BufferSize];

        // 打印连接到的服务端信息
        Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
            client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);

        streamToServer = client.GetStream();
    }

    // 连续发送三条消息到服务端
    public void SendMessage(string msg) {

        msg = String.Format("[length={0}]{1}", msg.Length, msg);

        for (int i = 0; i <= 2; i++) {
            byte[] temp = Encoding.Unicode.GetBytes(msg);   // 获得缓存
            try {
                streamToServer.Write(temp, 0, temp.Length); // 发往服务器
                Console.WriteLine("Sent: {0}", msg);
            } catch (Exception ex) {
                Console.WriteLine(ex.Message);
                break;
            }
        }

        lock (streamToServer) {
            AsyncCallback callBack = new AsyncCallback(ReadComplete);
            streamToServer.BeginRead(buffer, 0, BufferSize, callBack, null);
        }
    }

    public void SendMessage() {
        SendMessage(this.msg);
    }

    // 读取完成时的回调方法
    private void ReadComplete(IAsyncResult ar) {
        int bytesRead;

        try {
            lock (streamToServer) {
                bytesRead = streamToServer.EndRead(ar);
            }
            if (bytesRead == 0) throw new Exception("读取到0字节");

            string msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, bytesRead);
            Console.WriteLine("Received: {0}", msg);
            Array.Clear(buffer, 0, buffer.Length);      // 清空缓存，避免脏读

            lock (streamToServer) {
                AsyncCallback callBack = new AsyncCallback(ReadComplete);
                streamToServer.BeginRead(buffer, 0, BufferSize, callBack, null);
            }
        } catch (Exception ex) {
            if(streamToServer!=null)
                streamToServer.Dispose();
            client.Close();

            Console.WriteLine(ex.Message);
        }
    }
}

在上面的SendMessage()方法中，我们让它连续发送了三条同样的消息，这么仅仅是为了测试，因为异步操作同样会出现上面说过的：服务器将客户端的请求拆开了的情况。最后我们在Main()方法中创建这个类型的实例，然后调用SendMessage()方法进行测试：

class Client {
    static void Main(string[] args) {
        ConsoleKey key;

        ServerClient client = new ServerClient();
        client.SendMessage();

        Console.WriteLine("\n\n输入\"Q\"键退出。");
        do {
            key = Console.ReadKey(true).Key;
        } while (key != ConsoleKey.Q);
    }
}