C# Socket网络通信【高并发场景】

用途

在 C# 中，Socket 类是用于在网络上进行低级别通信的核心类。它提供了对 TCP、UDP 等协议的支持，可以实现服务器和客户端之间的数据传输。Socket 提供了比 TcpClient、UdpClient 等更细粒度的控制，因此通常用于需要更多控制的场景。

使用

服务器

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;class Server
{static void Main(){// 创建 SocketSocket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);// 绑定到本地 IP 和端口IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);listener.Bind(localEndPoint);// 开始监听//服务器开始监听客户端连接，请求队列长度为 10，这意味着可以同时接受最多 10 个等待连接的客户端。listener.Listen(10);Console.WriteLine("等待客户端连接...");while (true) // 无限循环持续监听{// 接受客户端连接//会阻塞主线程，直到有客户端发起连接。这种设计确保了服务器能够同步处理每个客户端的连接。Socket handler = listener.Accept();Console.WriteLine("客户端已连接！");// 接收客户端发送的数据byte[] buffer = new byte[1024];int bytesRec = handler.Receive(buffer);Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));// 发送响应给客户端byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");handler.Send(msg);// 关闭与客户端的连接handler.Shutdown(SocketShutdown.Both);handler.Close();}}
}

客户端

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;class Client
{static void Main(){// 创建 SocketSocket sender = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);// 连接到服务器IPEndPoint remoteEP = new IPEndPoint(IPAddress.Parse("127.0.0.1"), 11000);sender.Connect(remoteEP);Console.WriteLine("已连接到服务器！");// 发送数据给服务器byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello Server!");sender.Send(msg);// 接收服务器的响应byte[] buffer = new byte[1024];int bytesRec = sender.Receive(buffer);Console.WriteLine("服务器响应: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));// 关闭连接sender.Shutdown(SocketShutdown.Both);sender.Close();}
}

服务器：Bind/Listen/Send/Close/
客户端：Connect/Send/Receive/

高并发场景

当前的服务器示例是单线程的，它只能顺序处理一个客户端的连接。一旦接受并处理了一个客户端的请求，才会继续监听下一个客户端的连接请求。

问题：
由于服务器是单线程的，它在处理某个客户端的连接时（调用 accept、receive 等），其他客户端的连接请求会被阻塞，直到当前请求完成。这意味着服务器无法并发处理多个客户端的请求。

解决方案：
为了使服务器能够并发处理多个客户端的连接，我们可以使用多线程或异步编程。

多线程实现：

通过为每个客户端连接创建一个独立的线程，服务器可以同时处理多个客户端。这样，每个客户端的请求都会在一个单独的线程中进行处理，主线程可以继续监听新的连接请求。

下面是修改后的代码，使用多线程来处理多个客户端的连接：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;class Server
{static void Main(){// 创建一个 TCP SocketSocket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);// 绑定到本地 IP 和端口IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);listener.Bind(localEndPoint);// 开始监听连接请求，队列长度为10listener.Listen(10);Console.WriteLine("服务器正在监听客户端连接...");while (true) // 无限循环持续监听{// 接受客户端连接Socket handler = listener.Accept();Console.WriteLine("客户端已连接！");// 为每个客户端连接创建一个新线程Thread clientThread = new Thread(() => HandleClient(handler));clientThread.Start();}}// 处理客户端连接的逻辑static void HandleClient(Socket clientSocket){try{// 接收客户端发送的数据byte[] buffer = new byte[1024];int bytesRec = clientSocket.Receive(buffer);Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));// 发送响应给客户端byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");clientSocket.Send(msg);}finally{// 关闭与客户端的连接clientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);clientSocket.Close();}}
}

在每次有新的客户端连接时，服务器会调用 listener.Accept() 接受连接，然后为这个连接创建一个新的线程。
新线程会执行 HandleClient 方法，在该方法中处理客户端的通信（接收消息、发送响应等）。
并发处理：

服务器主线程通过 while (true) 持续监听客户端的连接请求。
每次有客户端连接时，服务器会创建一个新的线程处理该连接，这样主线程不会被阻塞，可以继续接受其他客户端的连接请求。
线程处理客户端：
HandleClient 方法会在线程中执行，处理特定客户端的通信。
在该线程中，服务器接收客户端的数据并发送响应，最后关闭连接。
多线程的优缺点：

优点：
- 能够同时处理多个客户端的连接，提升服务器的并发能力。
- 每个客户端的请求处理相互独立，不会因为某个客户端的处理时间过长而阻塞其他客户端的连接。
缺点：
- 每个客户端连接都创建一个新线程，随着客户端数量的增加，可能会消耗大量的系统资源（如 CPU 和内存）。
- 线程的创建和销毁是有开销的，在高并发场景下，可能不够高效。

异步编程实现：

在 C# 中，还可以使用异步编程（async/await）来处理多个客户端的连接，避免创建大量线程。异步方法允许服务器在等待 I/O 操作（如 Receive、Send）完成时，不会阻塞主线程，具有更好的扩展性。

异步服务器示例：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;class Server
{static async Task Main(){// 创建一个 TCP SocketSocket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);// 绑定到本地 IP 和端口IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 11000);listener.Bind(localEndPoint);// 开始监听连接请求，队列长度为10listener.Listen(10);Console.WriteLine("服务器正在监听客户端连接...");while (true){// 异步接受客户端连接Socket handler = await Task.Factory.FromAsync(listener.BeginAccept, listener.EndAccept, null);Console.WriteLine("客户端已连接！");// 异步处理客户端连接_ = Task.Run(() => HandleClient(handler));}}// 处理客户端连接的逻辑static async Task HandleClient(Socket clientSocket){try{byte[] buffer = new byte[1024];// 异步接收客户端发送的数据int bytesRec = await Task.Factory.FromAsync(clientSocket.BeginReceive(buffer, 0, buffer.Length, SocketFlags.None, null, null),clientSocket.EndReceive);Console.WriteLine("收到消息: " + Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRec));// 异步发送响应给客户端byte[] msg = Encoding.ASCII.GetBytes("消息已收到！");await Task.Factory.FromAsync(clientSocket.BeginSend(msg, 0, msg.Length, SocketFlags.None, null, null),clientSocket.EndSend);}finally{// 关闭与客户端的连接clientSocket.Shutdown(SocketShutdown.Both);clientSocket.Close();}}
}