C#之FastSocket实战项目的示例分享

1. 项目概述

本项目是一个基于C#语言的FastSocket实战项目，旨在通过实现一个高性能的网络通信框架，提升C#程序的网络通信能力和性能表现。实现的功能包括TCP/UDP协议的数据传输、多线程IO复用、异步编程、应用层协议的封装和解析等。

2. FastSocket框架架构

2.1 框架设计

FastSocket框架的设计思路主要依据Reactor模式和线程池模式，在这种设计模式下，每个线程都拥有一个EventLoop实例负责处理网络IO事件，所有EventLoop都在一个线程池中运行。这种方式保证了异步IO模型的基础，即将非阻塞IO操作交给操作系统进行处理，这样线程可以在等待IO操作完成的时间内处理其他任务。

2.2 框架核心组件

框架的核心组件包括Acceptor、Connector、TcpClient、TcpServer、Channel、EventLoop、EventLoopGroup、Thread、ThreadPool等，其中，Acceptor和Connector负责处理连接的建立和断开，在Acceptor的新连接请求到来时，会回调用户设置的OnConnection事件，用户可以在这个事件中设置自定义的TcpConnection。Channel是整个框架的核心，它负责将EventLoop、Socket和用户的TcpConnection协调起来，实现了网络消息的读写操作。

3. 代码实现

3.1 TcpServer

TcpServer是整个框架的核心之一，它负责监听并接受客户端的连接请求，并将连接交给Acceptor来处理。下面是TcpServer的主要代码实现：

public class TcpServer : TcpSocket
{
    private Acceptor acceptor;
    private EventLoopGroup eventLoopGroup;
    public TcpServer(IPEndPoint endPoint, EventLoopGroup eventLoopGroup)
    {
        this.eventLoopGroup = eventLoopGroup;
        acceptor = new Acceptor(endPoint, eventLoopGroup.GetNextLoop());
        acceptor.OnConnection += OnConnection;
    }
    private void OnConnection(Socket socket)
    {
        TcpConnection connection = new TcpConnection(socket, eventLoopGroup.GetNextLoop());
        OnNewConnection?.Invoke(connection);
    }
    public void Start()
    {
        acceptor.Start();
    }
    public void Stop()
    {
        acceptor.Stop();
    }
    public event Action OnNewConnection;
}

可以看到，TcpServer继承了TcpSocket类，通过Acceptor类来进行客户端连接的管理和接收，Acceptor.OnConnection事件被触发时，会回调TcpServer中设置的OnNewConnection事件，并将新创建的TcpConnection传入。

3.2 EventLoop

EventLoop是整个框架的核心组件之一，它负责处理IO事件、定时器事件、信号事件等，同时也是线程池中的一个线程。下面是EventLoop的主要代码实现：

public class EventLoop
{
    private SocketAsyncEventArgsPool readWritePool;
    private SocketAsyncEventArgsPool acceptPool;
    private SocketAsyncEventArgsPool connectPool;
    private SemaphoreSlim semaphoreSlim;
    private List funcsToRun;
    private List funcsToRunNow;
    private Queue funcsToRunNext;
    private bool running;
    private long timerCounter;
    public EventLoop()
    {
        // 初始化异步套接字事件池
        readWritePool = new SocketAsyncEventArgsPool(8192);
        acceptPool = new SocketAsyncEventArgsPool(4096);
        connectPool = new SocketAsyncEventArgsPool(4096);
        // 初始化信号量，控制并发数
        semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(62);
        // 初始化Action列表
        funcsToRun = new List();
        funcsToRunNow = new List();
        funcsToRunNext = new Queue();
        
        // 初始化计时器
        timerCounter = 0;
        // 开始事件循环
        running = true;
        Run();
    }
    private void Run()
    {
        while (running)
        {
            if (funcsToRun.Count > 0)
            {
                funcsToRunNow.AddRange(funcsToRun);
                funcsToRun.Clear();
            }
            foreach (var func in funcsToRunNow)
            {
                func();
            }
            if (funcsToRunNext.Count > 0)
            {
                funcsToRunNow.Clear();
                funcsToRunNow.AddRange(funcsToRunNext);
                funcsToRunNext.Clear();
                foreach (var func in funcsToRunNow)
                {
                    func();
                }
                funcsToRunNow.Clear();
            }
            semaphoreSlim.Wait();
            ProcessIO();
            ProcessTimers();
            ProcessConnect();
            semaphoreSlim.Release();
        }
    }
    private void ProcessIO()
    {
        // 处理读写事件等
    }
    private void ProcessTimers()
    {
        // 处理定时器事件等
    }
    private void ProcessConnect()
    {
        // 处理连接事件等
    }
    public void RunInLoop(Action func)
    {
        if (Thread.CurrentThread.ManagedThreadId == ManagedThreadId)
        {
            func();
            return;
        }
        lock (funcsToRun)
        {
            funcsToRun.Add(func);
        }
    }
    // 其他自定义方法和属性
}

可以看到，EventLoop主要包括三个线程同步的步骤：处理Action列表中的函数、处理IO事件和定时器事件等、处理连接事件等。同时，EventLoop还提供了RunInLoop方法，允许在EventLoop所处的线程中执行一个指定的函数。

3.3 Channel

Channel是整个框架的核心组件之一，它负责将EventLoop、Socket和用户定义的TcpConnection这三个组件协调起来，进行网络消息的读写操作和事件回调。下面是Channel的主要代码实现：

public class Channel
{
    private Socket socket;
    private EventLoop eventLoop;
    private TcpConnection tcpConnection;
    private SocketAsyncEventArgs readWriteEventArgs;
    private Object lockObject;
    public Channel(Socket socket, EventLoop eventLoop)
    {
        this.socket = socket;
        this.eventLoop = eventLoop;
        lockObject = new object();
        readWriteEventArgs = CreateReceiveEventArgs();
    }
    public void SetTcpConnection(TcpConnection tcpConnection)
    {
        this.tcpConnection = tcpConnection;
    }
    public void Start()
    {
        if (tcpConnection != null)
        {
            tcpConnection.OnConnected();
        }
        socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, true);
        socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.DontLinger, true);
        bool willRaiseEvent = socket.ReceiveAsync(readWriteEventArgs);
        if (!willRaiseEvent)
        {
            ProcessReceive(readWriteEventArgs);
        }
    }
    public void Stop()
    {
        socket.Close();
    }
    private void ProcessReceive(SocketAsyncEventArgs e)
    {
        if (e.BytesTransferred > 0 && e.SocketError == SocketError.Success)
        {
            byte[] buffer = new byte[e.BytesTransferred];
            Array.Copy(e.Buffer, e.Offset, buffer, 0, e.BytesTransferred);
            tcpConnection.OnMessage(buffer);
            bool willRaiseEvent = socket.ReceiveAsync(readWriteEventArgs);
            if (!willRaiseEvent)
            {
                ProcessReceive(readWriteEventArgs);
            }
        }
        else
        {
            Close();
        }
    }
    private void Close()
    {
        lock (lockObject)
        {
            if (tcpConnection != null)
            {
                tcpConnection.OnClosed();
                tcpConnection = null;
            }
        }
        socket.Close();
    }
    // 其他自定义方法和属性
}

可以看到，Channel负责TcpConnection和Socket之间的桥梁搭建、信息的读取和处理，以及连接的关闭等操作。

4. 总结

本文对FastSocket框架进行了详细的介绍，从框架设计、核心组件到代码实现都有所涉及。通过本框架的开发，我们可以快速而方便地实现一个高性能、可靠的网络通信应用，提升我们的程序性能和运行效率，并在此基础上进行各种自定义的开发和拓展。