【Socket】 关于WinSocket是否的文件描述符测试

YY菌

　　关于Socket在Windows下是否文件描述符的说法由来已久，有些人认为它不是（理由是不能用CreateFile创建、ReadFile接收消息、WriteFile发送数据、CloseHandle关闭句柄），有些人认为它是（理由是可以绑定到IOCP，可以使用WaitFor系列API等待），那到底是不是呢？我们需要经过比较严格的测试之后再得出结论。

　　首先测试socket函数的实现逻辑，经过反汇编单步调试发现，经过了一大堆“无关紧要”操作之后，最终走到NtCreateFile创建了一个名为"\\Device\\Afd\\Endpoint"的文件对象，最后返回给我们的SOCKET句柄也是这个NtCreateFile创建的文件对象句柄。接下来单步测试closesocket函数，发现这个SOCKET句柄最终走到NtClose上关闭的。既然WinSockRuntime内部都是使用NtCreateFile创建和NtClose关闭的，那为什么不能自己CreateFile创建和CloseHandle关闭呢？这个问题的关键就在于我们看似“无关紧要”的那些操作上，因为WinSockRuntime内部会记录一些额外的附加数据来和SOCKET句柄关联（大概是类似哈希表的结构，SOCKET句柄为Key，附加数据为Value）。如果我们使用CreateFile来创建"\\Device\\Afd\\Endpoint"的话，WinSockRuntime是不能识别的，而用CloseHandle关闭SOCKET句柄虽然调用结构是成功的，但WinSockRuntime的附加数据并没有得到相应的释放从而发生内存泄漏，最后在WSACleanup时引发0xC0000008异常。

　　至于send和recv的内部实现是通过NtDeviceIoControlFile来调用内核中Afd驱动的功能来实现的，由此可见这两个函数是不走ReadFile和WriteFile（或NtReadFile和NtWriteFile）的，当我们自己调用ReadFile和WriteFile来收发消息得到的结果是调用失败，于是很多人因此得出结论SOCKET对象在Windows下不是文件描述符，不能使用ReadFile和WriteFile来像Linux那样收发消息。然而，事实上真的是这样的吗？接下来我们再试试更高级版本的WSASocket函数来创建SOCKET对象（比socket函数多出来的参数全部传0或NULL)，这时候再来使用ReadFile和WriteFile来收发消息试试，居然成功了，所以说Windows的SOCKET对象其实也是和Linux一样的文件描述符。可是socket函数创建的句柄为什么不行呢？再反汇编单步调试一下发现，原来socket函数也是调用的WSASocket函数，但它的最后一个参数dwFlags传的是1，1对应的常量则是WSA_FLAG_OVERLAPPED（重叠模式），而我们习惯的ReadFile和WriteFile用法都是非重叠阻塞调用方式，所以这就是我们使用ReadFile和WriteFile来收发SOCKET消息失败的重要原因。

　　接下来，我们分别测试非重叠SOCKET、重叠SOCKET、非重叠IO操作、重叠IO操作的组合操作结果：

	非重叠SOCKET	重叠SOCKET
非重叠IO操作	成功：通过阻塞等待IO完成	失败：GetLastError结果为87（无效参数）
重叠IO操作	成功：忽略重叠IO参数并通过阻塞等待IO完成	成功：函数立即返回，GetLastError为997，可通过GetOverlappedResult或其它异步方式来等待结果。

根据以上测试结果，我分别使用ReadFile和WriteFile来封装了模拟Linux的read和write的版本：

1. 
   
2. #ifdef _WIN32
   
3. typedef ptrdiff_t ssize_t;
   
4. 
   
5. // 转换 Win32 LastError 为 CRT errno
   
6. static errno_t _errno_cvt_win2crt(DWORD winerr);        // 这个是Windows错误转CRT错误码（不提供实现，请自行封装）
   
7. 
   
8. // 把 Win32 LastError 转换并设置到 CRT errno
   
9. int _set_winerrno(int err)
   
10. {
    
11.         err = _errno_cvt_win2crt(err);
    
12. #ifdef _MSC_VER
    
13.         __if_exists(_set_errno) {
    
14.                 // 如果存在 _set_errno 标识符，说明是新版 MSVCRT，最好是调用 _set_errno 函数来设置。
    
15.                 _set_errno(err);
    
16.         }
    
17.         __if_not_exists(_set_errno) {
    
18.                 // 如果不存在 _set_errno 标识符，说明是旧版 MSVCRT，直接对 errno 赋值就行了。
    
19.                 errno = (err);
    
20.         }
    
21. #else
    
22.         errno = (err);
    
23. #endif
    
24.         return -1;
    
25. }
    
26. 
    
27. // 从文件描述符读取数据
    
28. ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)
    
29. {
    
30.         DWORD dwret;
    
31.         OVERLAPPED ol = {};
    
32.         // 使用重叠模式读取（注意这一步非常关键，否则无法成功读取 socket 数据）
    
33.         BOOL issuc = ReadFile(HANDLE(fd), buf, DWORD(count), &dwret, &ol);
    
34.         // 如果是非重叠模式对象会发生阻塞直到读取成功或，直接返回长度即可（注意：socket 对象只有用 WSASocket 才能创建非重叠 socket 对象）
    
35.         if (issuc) return ssize_t(dwret);
    
36.         // 获取错误码，如果不是处理重叠读取状态中，就说明是真的发生了错误。
    
37.         dwret = GetLastError();
    
38.         if (ERROR_IO_PENDING != dwret) return _set_winerrno(dwret);
    
39.         // 等待重叠读取完成并获取结果（模拟成非重叠的阻塞读取模式）
    
40.         issuc = GetOverlappedResult(HANDLE(fd), &ol, &dwret, TRUE);
    
41.         // 如果获取成功就返回值读取长度
    
42.         if (issuc) return ssize_t(dwret);
    
43.         // 否则需将 Win32 LastError 转换成 CRT errno
    
44.         dwret = GetLastError();
    
45.         return _set_winerrno(dwret);
    
46. }
    
47. 
    
48. // 写入数据到文件描述符
    
49. ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)
    
50. {
    
51.         DWORD dwret;
    
52.         OVERLAPPED ol = {};
    
53.         // 使用重叠模式写入（注意这一步非常关键，否则无法成功写入 socket 数据）
    
54.         BOOL issuc = WriteFile(HANDLE(fd), buf, DWORD(count), &dwret, &ol);
    
55.         // 如果是非重叠模式对象会发生阻塞直到写入成功或，直接返回长度即可（注意：socket 对象只有用 WSASocket 才能创建非重叠 socket 对象）
    
56.         if (issuc) return ssize_t(dwret);
    
57.         // 获取错误码，如果不是处理重叠写入状态中，就说明是真的发生了错误。
    
58.         dwret = GetLastError();
    
59.         if (ERROR_IO_PENDING != dwret) return _set_winerrno(dwret);
    
60.         // 等待重叠写入完成并获取结果（模拟成非重叠的阻塞写入模式）
    
61.         issuc = GetOverlappedResult(HANDLE(fd), &ol, &dwret, TRUE);
    
62.         // 如果获取成功就返回值写入长度
    
63.         if (issuc) return ssize_t(dwret);
    
64.         // 否则需将 Win32 LastError 转换成 CRT errno
    
65.         dwret = GetLastError();
    
66.         return _set_winerrno(dwret);
    
67. }
    
68. #endif
    

复制代码

　　测试使用read和write来收发socket消息的代码：

1. 
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #ifdef _WIN32
   
5. #define WIN32_LEAN_AND_MEAN
   
6. #include <Windows.h>
   
7. #include <WinSock2.h>
   
8. #pragma comment(lib, "ws2_32")
   
9. #else
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    
12. // 让 Linux 和 Windows 通用的别名
    
13. typedef struct sockaddr SOCKADDR, *PSOCKADDR;
    
14. typedef struct sockaddr_in SOCKADDR_IN, *PSOCKADDR_IN;
    
15. #define closesocket close
    
16. #endif
    
17. 
    
18. //#define TEST 0
    
19. int main()
    
20. {
    
21.         int ret;
    
22. #ifdef _WIN32
    
23.         // Win Socket 初始化
    
24.         WSADATA wsad;
    
25.         ret = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsad);
    
26. #endif
    
27.         // 创建 socket 对象（这里用本机UDP测试）
    
28. #if !defined(TEST) || !defined(_WIN32)
    
29.         auto sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    
30.         //auto sfd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    
31. #elif TEST == 1
    
32.         auto sfd = WSASocket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP, nullptr, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED | WSA_FLAG_NO_HANDLE_INHERIT);
    
33. #else
    
34.         auto sfd = WSASocket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP, nullptr, 0, WSA_FLAG_NO_HANDLE_INHERIT);
    
35. #endif
    
36. 
    
37.         // 设定 IPv4 127.0.0.1:21930
    
38.         SOCKADDR_IN si = { AF_INET, 0xAA55, };
    
39.         si.sin_addr.s_addr = 0x0100007F;
    
40.         // 让 UDP 对象同时绑定和连接同一个IP端口（实现自发自收）
    
41.         ret = bind(sfd, PSOCKADDR(&si), sizeof(si));
    
42.         ret = connect(sfd, PSOCKADDR(&si), sizeof(si));
    
43. 
    
44.         // 发送消息（write 等于 send 的最后一个参数传0）
    
45.         static const char send_data[] = "HelloWorld";
    
46.         //ret = send(sfd, send_data, sizeof(send_data), 0);
    
47.         ret = write(sfd, send_data, sizeof(send_data));
    
48. 
    
49.         // 接收消息（read 等于 recv 的最后一个参数传0）
    
50.         char recv_data[0x10];
    
51.         //ret = recv(sfd, recv_data, sizeof(recv_data), 0);
    
52.         ret = read(sfd, recv_data, sizeof(recv_data));
    
53. 
    
54.         // 关闭 socket 句柄
    
55.         ret = closesocket(sfd);
    
56. #ifdef _WIN32
    
57.         // Win Socket 清理
    
58.         ret = WSACleanup();
    
59. #endif
    
60.         // 输出结果
    
61.         printf("%s\n", recv_data);
    
62.         return EXIT_SUCCESS;
    
63. }
    

复制代码

美俪女神

在WINDOWS上，只要有OPEN/CREATE---USE---CLOSE流程的，肯定有句柄（不管名字叫啥）。但至于具体的句柄类型，就要用ARK查看了。

但有些名字里有“句柄”的反而不一定是，比如“窗口句柄”。

YY菌

美俪女神 发表于 2024-2-6 23:27
在WINDOWS上，只要有OPEN/CREATE---USE---CLOSE流程的，肯定有句柄（不管名字叫啥）。但至于具体的句柄类型 ...

窗口句柄也是句柄，Windows的句柄一共分为三大类：内核对象句柄、用户对象句柄、GDI对象句柄。像文件句柄、Socket句柄、事件句柄、IOCP句柄这些都是内核对象句柄，HWND、HMONITOR、HICON、HCURSOR、HMENU、HACCEL都是用户对象句柄，HDC、HBITMAP、HMETAFILE、HPEN、HBRUSH、HPALETTE、HFONT、HRGN都是GDI对象句柄。这三大类句柄都是分别显示在任务管理器的三个不同列上的，其中用户对象句柄和GDI对象句柄存在最多一万个的上限，而内核对象句柄则没有。不过Windows确实还有一些不是句柄的句柄，比如：FindFirstFile返回的句柄（好像是指向保存当前查找状态数据的指针）、WSAAsyncGet返回的句柄（实际上只是个纯编号）、HINSTANCE（实际上的PE模块的内存基址）。
至于研究Windows的Socket对象是不是文件描述符这类句柄，最开始是因为看到A5大婶说到Windows的Socket对象和Linux的不一样，Linux的可以用read和write收发消息（因此它是文件描述符），Windows的不可以用ReadFile和WriteFile不可以（因此它不是），但我清晰记得MSDN曾经说过ReadFile和WriteFile是可以用于socket的对象的重叠IO操作的，但现在再去看MSDN结果那句话已经被巨硬删掉了。所有便做了个测试来验证，最后验证结果确实是可以用ReadFile和WriteFile来收发网络消息（只不过socket默认是重叠IO模式）。

lichao

一切皆文件，包括目录，管道，fifo，设备。这点Linux也一样
socket读写有send/recv/sendto/recvfrom/read/write/sengmsg/recvmsg