socket通信的实现与原理

本篇文章是本人通过自己的理解进行整理的，如有疑问欢迎指出
在说socket之前我们先大致了解一下进程之间通信的几种方式（了解下就好了）：

• 管道

管道分为匿名管道和命名管道

我们来看一条 Linux 的语句： netstat -tulnp | grep 8080
其中“|”是管道的意思，它的作用就是把前一条命令的输出作为后一条命令的输入。在这里就是把 netstat -tulnp 的输出结果作为 grep 8080 这条命令的输入。
在前端angular框架中其实也有类似管道的应用，比如下面的代码：
<span *ngIf="col.Name==='operDt'" [innerHTML]="rowNode[col.Name] | date:'yyyy-MM-dd'"></span>
这段代码的含义就是把operDt的输出值按照'yyyy-MM-dd'格式显示。

管道的通知机制类似于缓存，就像一个进程把数据放在某个缓存区域，然后等着另外一个进程去拿，并且是管道是单向传输的。
这种通信方式有什么缺点呢？显然，这种通信方式效率低下，你看，a 进程给 b 进程传输数据，只能等待 b 进程取了数据之后 a 进程才能返回。
所以管道不适合频繁通信的进程。当然，他也有它的优点，例如比较简单，能够保证我们的数据已经真的被其他进程拿走了。我们平时用 Linux 的时候，也算是经常用。

这种通信方式有缺点吗？答是有的，如果 a 进程发送的数据占的内存比较大，并且两个进程之间的通信特别频繁的话，消息队列模型就不大适合了。因为 a 发送的数据很大的话，意味发送消息（拷贝）这个过程需要花很多时间来读内存。
哪有没有什么解决方案呢？答是有的，请继续往下看。

• 消息队列

那我们能不能把进程的数据放在某个内存之后就马上让进程返回呢？无需等待其他进程来取就返回呢？
答是可以的，我们可以用消息队列的通信模式来解决这个问题，例如 a 进程要给 b 进程发送消息，只需要把消息放在对应的消息队列里就行了，b 进程需要的时候再去对应的
消息队列里取出来。同理，b 进程要个 a 进程发送消息也是一样。这种通信方式也类似于缓存吧。

这种通信方式有缺点吗？答是有的，如果 a 进程发送的数据占的内存比较大，并且两个进程之间的通信特别频繁的话，消息队列模型就不大适合了。因为 a 发送的数据很大的话，意味发送消息（拷贝）这个过程需要花很多时间来读内存。

• 共享内存

共享内存这个通信方式就可以很好着解决拷贝所消耗的时间了。
这个可能有人会问了，每个进程不是有自己的独立内存吗？两个进程怎么就可以共享一块内存了？
我们都知道，系统加载一个进程的时候，分配给进程的内存并不是实际物理内存，而是虚拟内存空间。那么我们可以让两个进程各自拿出一块虚拟地址空间来，然后映射到相同的物理内存中，这样，两个进程虽然有着独立的虚拟内存空间，但有一部分却是映射到相同的物理内存，这就完成了内存共享机制了

• 信号量

共享内存最大的问题是什么？没错，就是多进程竞争内存的问题，就像类似于我们平时说的线程安全问题。如何解决这个问题？这个时候我们的信号量就上场了。
信号量的本质就是一个计数器，用来实现进程之间的互斥与同步。例如信号量的初始值是 1，然后 a 进程来访问内存1的时候，我们就把信号量的值设为 0，然后进程b 也要来访问内存1的时候，看到信号量的值为 0 就知道已经有进程在访问内存1了，这个时候进程 b 就会访问不了内存1。所以说，信号量也是进程之间的一种通信方式。

• Socket

上面我们说的共享内存、管道、信号量、消息队列，他们都是多个进程在一台主机之间的通信，那两个相隔几千里的进程能够进行通信吗？
答是必须的，这个时候 Socket 这家伙就派上用场了，例如我们平时通过浏览器发起一个 http 请求，然后服务器给你返回对应的数据，这种就是采用 Socket 的通信方式了。

就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket

了解了进程间通信的方式，我们现在就来写一个socket通信的例子：

为了快速演示，这里我们就创建一个Winform程序充当客户端，一个控制台应用程序充当服务端端，项目结构如下：

其中客户端Winform窗体设计成如下界面：

接下来我们在Program.cs中实现服务端代码：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace SocketService
{

    class Program
    {
        //和客户端通信的套接字
        static Socket client_socket = null;
        //集合：存储客户端信息
        static Dictionary<string, Socket> clientConnectionItems = new Dictionary<string, Socket> { };

        static void Main(string[] args)
        {
            try
            {
                //和客户 端通信的套接字:监听客户端发来的消息，三个参数: IP4寻 址协议，流式连接，TCP协议
                client_socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                //服务端发送信息需要一个IP地址和端口号
                IPAddress address = IPAddress.Parse("127.0.0.1");
                //将IP地址和端口号绑定到网络节点point上
                IPEndPoint point = new IPEndPoint(address, 5000);//5000端口用来监听，为本机未占用端口
                                                                 //监听绑定的网络节点
                client_socket.Bind(point);
                client_socket.Listen(20);
                Console.WriteLine($"开始监听....");
                WatchConnecting();

            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine(ex.Message);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 业务处理
        /// </summary>
        private static void WatchConnecting()
        {
            Socket connection = null;

            //持续监听客户端发来的请求
            while (true)
            {
                try
                {
                    connection = client_socket.Accept();
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    //套接字监听异常
                    Console.WriteLine("套接字监听异常:" + ex.Message);
                    break;
                }

                //获取客户端IP、端口
                IPAddress clientIp = (connection.RemoteEndPoint as IPEndPoint).Address;
                int clientPort = (connection.RemoteEndPoint as IPEndPoint).Port;

                //让客户端显示连接成功的信息
                string senMsg = "连接服务端成功!\r\n" + "本地IP：" + clientIp + "端口：" + clientPort;
                byte[] arrSendMsg = Encoding.UTF8.GetBytes(senMsg);
                connection.Send(arrSendMsg);

                //客户端网络节点号
                string remoteEndPoint = connection.RemoteEndPoint.ToString();
                //显示与客户端连接情况
                Console.WriteLine("成功与" + remoteEndPoint + "客户端建立连接!\t\n");
                //添加客户端信息
                clientConnectionItems.Add(remoteEndPoint, connection);

                IPEndPoint netpoint = connection.RemoteEndPoint as IPEndPoint;

                //创建一个线程通信
                ParameterizedThreadStart pts = new ParameterizedThreadStart(revc);
                Thread thread = new Thread(pts);
                //设置后台进程随主线程退出而退出
                thread.IsBackground = true;
                thread.Start(connection);
            }
        }

        /// <summary>
        /// 接口客户端发来的消息，客户端套接字对象
        /// </summary>
        private static void revc(object socketclientpara)
        {
            Socket socketServer = socketclientpara as Socket;

            while (true)
            {
                //创建内存缓冲区，大小为1M
                byte[] arrServiceRecMsg = new byte[1024 * 1024];
                //将接收到的信息放入到内存缓冲区，并返回其字节数组的长度
                try
                {
                    int length = socketServer.Receive(arrServiceRecMsg);
                    //转换成字符串
                    string strRecMsg = Encoding.UTF8.GetString(arrServiceRecMsg, 0, length);
                    Console.WriteLine("客户端：" + socketServer.RemoteEndPoint + "时间：" + DateTime.Now.ToString() +
                        "\r\n" + strRecMsg + "\r\n\n");

                    socketServer.Send(Encoding.UTF8.GetBytes("收到了信息"));
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    clientConnectionItems.Remove(socketServer.RemoteEndPoint.ToString());
                    Console.WriteLine("Client Count:" + clientConnectionItems.Count);
                    //提示套接字监听异常
                    Console.WriteLine("客户端" + socketServer.RemoteEndPoint + "已经连接中断\r\n");
                    Console.WriteLine(ex.Message + "\r\n" + ex.StackTrace + "\r\n");
                    //关闭之前accept出来的和客户端进行通信的套接字
                    socketServer.Close();
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

客户端代码实现：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Diagnostics;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace WindowsFormsApp1
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        //创建一个客户端套接字和一个负责监听服务端请求的线程
        Thread threadClient = null;
        Socket socketClient = null;

        public Form1()
        {
            InitializeComponent();

            StartPosition = FormStartPosition.CenterParent;
            //关闭对文本框的非法线程操作检查
            TextBox.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
            this.button1.Enabled = false;
            this.button1.Visible = false;
            this.textBox1.Visible = false;
        }

        private void Button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //调用 ClientSendMsg 方法，将文本框中输入的信息发送到服务器
            ClientSendMsg(this.textBox1.Text.Trim());
            this.textBox1.Clear();
        }

        private void Button2_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            this.button2.Enabled = false;
            //定义一个套接字监听
            socketClient = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
            IPAddress address = IPAddress.Parse("127.0.0.1");
            //将IP、端口绑定到网络节点上
            IPEndPoint point = new IPEndPoint(address, 5000);

            try
            {
                //客户端套接字连接到网络节点上，用connect
                socketClient.Connect(point);
                this.button1.Enabled = true;
                this.button1.Visible = true;
                this.textBox1.Visible = true;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Debug.WriteLine("连接失败\r\n");
                this.richTextBox1.AppendText("连接失败\r\n");
                this.button2.Enabled = true;
                return;
            }
            threadClient = new Thread(recv);
            threadClient.IsBackground = true;
            threadClient.Start();
        }

        /// <summary>
        /// 接口客户端发来的消息
        /// </summary>
        void recv()
        {
            int x = 0;
            //持续监听服务端发来的消息
            while (true)
            {
                try
                {
                    //定义一个1M缓冲区，用于临时存储接受到的消息
                    byte[] arrRecvmsg = new byte[1024 * 1024];
                    int length = socketClient.Receive(arrRecvmsg);
                    string strRevMsg = Encoding.UTF8.GetString(arrRecvmsg, 0, length);
                    if (x == 1)
                    {
                        this.richTextBox1.AppendText($"服务器：{DateTime.Now.ToString()}\r\n{strRevMsg}\r\n\n");
                        Debug.WriteLine($"服务器：{DateTime.Now.ToString()}\r\n{strRevMsg}\r\n\n");
                    }
                    else
                    {
                        this.richTextBox1.AppendText(strRevMsg + "\r\n");
                        Debug.WriteLine($"{strRevMsg}\r\n");
                        x = 1;
                    }
                }
                catch (Exception ex)
                {
                    Debug.WriteLine("远程服务器已经中断连接\r\n");
                    this.richTextBox1.AppendText("远程服务器已经中断连接\r\n");
                }
            }
        }
        /// <summary>
        /// 发送字符信息到服务端
        /// </summary>
        /// <param name="sendMsg"></param>
        void ClientSendMsg(string sendMsg)
        {
            try
            {
                byte[] arrClientSendMsg = Encoding.UTF8.GetBytes(sendMsg);
                //调用客户端套接字发送字节数组
                socketClient.Send(arrClientSendMsg);
                this.richTextBox1.AppendText($"Hello....：{DateTime.Now.ToString()}\r\n{sendMsg}\r\n\n");

            }
            catch (Exception ex)
            {
                Debug.WriteLine("远程服务器已经中断连接\r\n");
                this.richTextBox1.AppendText("远程服务器已经中断连接\r\n");
            }
        }
    }
}

代码不算难，也还算好理解，分步调试一下就能懂了,测试一下，分别启动服务端、客户端项目，运行演示，本来想搞个gif动图演示的，markdown上传gif失败了。懒得转成文字博客了：

socket是支持断线自动重连的。这个工作就交给有兴趣的同学了，把代码改造一下。支持不论客户端掉线还是服务端掉线，重启后都能重连。

小声bb：话说今天我生日啊!

只要你主动我们就会有故事哦

另外祝大家520节日快乐：