C# 实现的多线程异步Socket数据包接收器框架
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。
///
/// 启动接收器
///
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。
///
/// 创建接收服务器的 Socket, 并侦听客户端连接请求
///
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。
///
/// 循环侦听客户端请求，由于要用线程池，故带一个参数
///
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();
}
}
}
}
}
///
/// 处理一个包数据，包括：验证、存储
///
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 == null) return;
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。
///
/// 检查客户端状态（扫描方式，若长时间无数据，则断开）
///
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。
下载框架源码
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。
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()。
///
/// 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
///
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
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：
///
/// 具有<
>格式的数据包加入到队列中///
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：
///
/// 拷贝接收缓冲区的数据到数据缓冲区（即多次读一个包文）
///
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。