幾天前在博問中看到一個C# Socket問題，就想到筆者2004年做的一個省級交通流量接收伺服器專案，當時的基本求如下：

• 接收自動觀測裝置通過無線網絡卡、Internet和Socket上報的交通量資料包
• 全年365*24執行的自動觀測裝置5分鐘上報一次觀測資料，每筆記錄約2K大小
• 規劃全省將有100個左右的自動觀測裝置（截止2008年10月還只有30個）
  

      當時，VS2003才釋出年多，筆者也是接觸C#不久。於是Google了國內國外網，希望找點應用C#解決Socket通訊問題的思路和程式碼。最後，找到了兩篇幫助最大的文章：一篇是國人寫的Socket接收器框架，應用了獨立的客戶端Socket會話（Session）概念，給筆者提供了一個接收伺服器的總體框架思路；另一篇是美國人寫的，提出了多執行緒、分段接收資料包的技術方案，描述了多執行緒、非同步Socket的許多實現細節，該文堅定了筆者採用多執行緒和非同步方式處理Socket接收器的技術路線。

     具體實現和測試時筆者還發現，在Internet環境下的Socket應用中，需要系統有極強的容錯能力：沒有辦法控制異常，就必須允許它們存在（附加原始碼中可以看到，try{}catch{}語句較多）。對此，筆者設計了一個專門的檢查和清理執行緒，完成無效或超時會話的清除和資源釋放工作。

     依稀記得，國內框架作者的名稱空間有ibm，認為是IBM公司職員，通過郵件後才知道其人在深圳。筆者向他請教了幾個問題，相互探討了幾個技術關鍵點。可惜，現在再去找，已經查不到原文和郵件了。只好藉此機會，將本文獻給這兩個素未謀面的技術高人和同行，也盼望拙文或原始碼能給讀者一點有用的啟發和幫助。

1、主要技術思路

     整個系統由三個核心執行緒組成，並由.NET執行緒池統一管理：

• 偵聽客戶端連線請求執行緒：ListenClientRequest()，迴圈偵聽客戶端連線請求。如果有，檢測該客戶端IP，看是否是同一觀測裝置，然後建立一個客戶端TSession物件，並通過Socket非同步呼叫方法BeginReceive()接收資料包、EndReceive()處理資料包
• 資料包處理執行緒：HandleDatagrams()，迴圈檢測資料包佇列_datagramQueue，完成資料包解析、判斷型別、儲存等工作
• 客戶端狀態檢測執行緒：CheckClientState()，迴圈檢查客戶端會話表_sessionTable，判斷會話物件是否有效，設定超時會話關閉標誌，清楚無效會話物件及釋放其資源

2、主要類簡介

     系統主要由3個類組成：

• TDatagramReceiver（資料包接收伺服器）：系統的核心程序類，建立Socket連線、處理與儲存資料包、清理系統資源，該類提供全部的public屬性和方法
• TSession（客戶端會話）：由每個客戶端的Socket物件組成，有自己的資料緩衝區，清理執行緒根據該物件的最近會話時間判斷是否超時
• TDatagram（資料包類）：判斷資料包類別、解析資料包
  

3、關鍵函式和程式碼

     下面簡介核心類TDatagramReceiver的關鍵實現程式碼。

3.1  系統啟動

      系統啟動方法StartReceiver()首先清理資源、建立資料庫連線、初始化若干計數值，然後建立伺服器端偵聽Socket物件，最後呼叫靜態方法ThreadPool.QueueUserWorkItem()線上程池中建立3個核心處理執行緒。

      下面是建立偵聽Socket物件的方法程式碼。

3.2  偵聽客戶端連線請求

      伺服器端迴圈等待客戶端連線請求。一旦有請求，先判斷客戶端連線數是否超限，接著檢測該客戶端IP地址，一切正常後建立TSession物件，並呼叫非同步方法接收客戶端Socket資料包。

      程式碼中，Socket讀到資料時的回撥AsyncCallback委託方法EndReceiveData()完成資料接收工作，正常情況下啟動另一個非同步BeginReceive()呼叫。

      .NET中，每個非同步方法都有自己的獨立執行緒，非同步處理其實也基於多執行緒機制的。下面程式碼中的非同步套非同步呼叫，既佔用較大的系統資源，也給處理帶來意想不到的結果，更是出現異常時難以控制和處理的關鍵所在。

///<summary>/// 迴圈偵聽客戶端請求，由於要用執行緒池，故帶一個引數
///</summary>privatevoid ListenClientRequest(object state)
{
    Socket client =null;
    while (!_stopReceiver)
    {
        if (_stopConnectRequest)  //  停止客戶端連線請求        {
            if (_receiverSocket !=null)
            {
                try
                {
                    _receiverSocket.Close();  // 強制關閉接收器                }
                catch
                {
                    this.OnReceiverException();
                }
                finally
                {
                    // 必須為 null，否則 disposed 物件仍然存在，將引發下面的錯誤                    _receiverSocket =null;
                }
            }
            continue;
        }
        else
        {
            if (_receiverSocket ==null)
            {
                if (!CreateReceiverSocket())
                {
                    continue;
                }
            }
        }

        try
        {
            if (_receiverSocket.Poll(_loopWaitTime, SelectMode.SelectRead))
            {
                // 頻繁關閉、啟動時，這裡容易產生錯誤（提示套接字只能有一個）                client = _receiverSocket.Accept();

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

                        try
                        {
                            client.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                            client.Close();
                        }
                        catch { }
                    }
                    elseif (CheckSameClientIP(client))  // 已存在該 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))  // 有可能重複該編號                                {
                                    session.ID =100000+ preSessionID;
                                }
                                else
                                {
                                    break;
                                }
                            }
                            _sessionTable.Add(session.ID, session);  // 登記該會話客戶端                            Interlocked.Increment(ref _clientCount);
                        }

                        OnClientRequest();

                        try// 客戶端連續連線或連線後立即斷開，易在該處產生錯誤，系統忽略之                        {
                            // 開始接受來自該客戶端的資料                            session.ClientSocket.BeginReceive(session.ReceiveBuffer, 0, 
                                session.ReceiveBufferLength, SocketFlags.None, EndReceiveData, session);
                        }
                        catch
                        {
                            session.DisconnectType = TDisconnectType.Exception;
                            session.State = TSessionState.NoReply;
                        }
                    }
                }
                elseif (client !=null)  // 非空，但沒有連線（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 { }
            }
        }
        // 該處可以適當暫停若干毫秒    }
    // 該處可以適當暫停若干毫秒}

3.3  處理資料包

      該執行緒迴圈檢視資料包佇列，完成資料包的解析與儲存等工作。具體實現時，如果佇列中沒有資料包，可以考慮等待若干毫秒，提高CPU利用率。

3.4  檢查與清理會話

      本執行緒負責處理建立連線後的客戶端會話TSession或Socket物件的關閉與資源清理工作，其它方法中出現異常等情況，儘可能標記相關TSession物件的屬性NoReply=true，表示該會話已經無效、需要清理。

       檢查會話佇列並清理資源分3步：第一步，Shutdown()客戶端Socket，此時可能立即觸發某些Socket的非同步方法EndReceive()；第二步，Close()客戶端Socket，釋放佔用資源；第三步，從會話表中清除該會話物件。其中，第一步完成後，某個TSession也許不會立即到第二步，因為可能需要處理其非同步結束方法。

      需要指出， 由於涉及多執行緒處理，需要頻繁加解鎖操作，清理工作前先建立一個會話佇列列副本sessionTable2，檢查與清理該隊副本列列的TSession物件。

4 、結語

     基於多執行緒處理的系統代價是比較大的，需要經常呼叫加/解鎖方法lock()或Monitor.Enter()，需要經常建立處理執行緒等。從實際執行效果看，筆者的實現方案有較好的穩定性：2005年4月到5月間，在一個普通PC機器上連續執行30多天不出一點故障。同時，筆者採用了時序區間判重等演算法，有效地提高了系統處理與響應速度。測試表明，在普通的PC機器（P4 2.0）上，可以做到0.5秒處理一個數據包，如果優化程式碼和伺服器，還有較大的效能提升空間。

     上面的程式碼是筆者實現的省級公路交通流量資料服務中心（DSC）專案中的接收伺服器框架部分，整個系統還包括：資料轉發交通部的轉發伺服器、資料遠端查詢客戶端、綜合報表資料處理系統、資料線上釋出系統、系統執行監控系統等。

     實際的接收伺服器類及其輔助類超過3K行，整個系統則超過了60K。因為是早期實現的程式，難免有程式碼粗糙、方法欠妥的感覺，只有留待下個版本完善擴充了。由於與甲方有保密合同和版權保護等，不可能公開全部原始碼，刪減也有不當之處，讀者發現時請不吝指正。下面是帶詳細註釋的程式碼下載URL。