標(biāo) 題: Windows系統(tǒng)編程之異步I/O和完成端口
作 者: 北極星2003
時 間: 2006-07-02 18:46
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詳細(xì)信息: Windows系統(tǒng)編程之異步I/O和完成端口
【作者】北極星2003
【來源】看雪技術(shù)論壇（bbs.pediy.com）
【時間】2006年7月1日
一、 同步I/O和異步I/O
在介紹這部分內(nèi)容之前先來認(rèn)識下“異步I/O”。
說起異步IO，很容易聯(lián)想到同步I/O，對于同一個I/O對象句柄在同一時刻只允許一個I/O操作，其原理如下圖所示：
顯然，當(dāng)內(nèi)核真正處理I/O的時間段（T2~T4），用戶線程是處于等待狀態(tài)的，如果這個時間段比較段的話，沒有什么影響；倘若這個時間段很長的話，線程就會長時間處于掛起狀態(tài)。事實(shí)上，該線程完全可以利用這段時間用處理其他事務(wù)。
異步I/O恰好可以解決同步I/O中的問題，而且支持對同一個I/O對象的并行處理，其原理如下圖所示：
異步I/O在I/O請求完成時，可以使用讓I/O對象或者事件對象受信來通知用戶線程，而用戶線程中可以使用GetOverlappedResult來查看I/O的執(zhí)行情況。
由于異步I/O在進(jìn)行I/O請求后會立即返回，這樣就會產(chǎn)生一個問題：“程序是如何取得I/O處理的結(jié)果的？”。
有多種方法可以實(shí)現(xiàn)異步I/O，其不同資料上的分類一般都不盡相同，但原理上都類似，這里我把實(shí)現(xiàn)異步I/O的方法分為3類，本文就針對這3類方法進(jìn)行詳細(xì)的討論。
（1）重疊I/O
（2）異步過程調(diào)用（APC），擴(kuò)展I/O
（3）使用完成端口（IOCP）
二、使用重疊I/O實(shí)現(xiàn)異步I/O
同一個線程可以對多個I/O對象進(jìn)行I/O操作，不同的線程也可以對同一個I/O對象進(jìn)行操作，在我的理解中，重疊的命名就是這么來的。
在使用重疊I/O時，線程需要創(chuàng)建OVERLAPPED結(jié)構(gòu)以供I/O處理。該結(jié)構(gòu)中最重要的成員是hEvent，它是作為一個同步對象而存在，如果hEvent為NULL，那么此時的同步對象即為文件句柄、管道句柄等I/O操作對象。當(dāng)I/O完成后，會使這里的同步對象受信，從而通知用戶線程。
由于在進(jìn)行I/O請求后會立即返回，但有時用戶線程需要知道I/O當(dāng)前的執(zhí)行情況，此時就可以使用GetOverlappedResult。如果該函數(shù)的bWait參數(shù)為true,那么改函數(shù)就會阻塞線程直到目標(biāo)I/O處理完成為止；如果bWait為false，那么就會立即返回，如果此時的I/O尚未完，調(diào)用GetLastError就會返回ERROR_IO_INCOMPLETE。
代碼示例一： 代碼:
DWORD nReadByte ;
BYTE bBuf[BUF_SIZE] ;
OVERLAPPED ov = { 0, 0, 0, 0, NULL } ; // hEvent = NULL ;
HANDLE hFile = CreateFile ( ……, FILE_FLAG_OVERLAPPED, …… ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf, sizeof(bBuf), &nReadByte, &ov ) ;
// 由于此時hEvent=NULL，所以同步對象為hFile,下面兩句的效果一樣
WaitForSingleObject ( hFile, INFINITE ) ;
//GetOverlappedResult ( hFile, &ov, &nRead, TRUE ) ;
這段代碼在調(diào)用ReadFile后會立即返回，但在隨后的WaitForSingleObject或者GetOverlappedResult中阻塞，利用同步對象hFile進(jìn)行同步。
這段代碼在這里可以實(shí)現(xiàn)正常的異步I/O，但存在一個問題，倘若現(xiàn)在需要對hFile句柄進(jìn)行多個I/O操作，就會出現(xiàn)問題。見下面這段代碼。
代碼示例二：
代碼:
DWORD nReadByte ;
BYTE bBuf1[BUF_SIZE],bBuf2[BUF_SIZE],bBuf3[BUF_SIZE] ;
OVERLAPPED ov1 = { 0, 0, 0, 0, NULL } ;
OVERLAPPED ov2 = { 0, 0, 0, 0, NULL } ;
OVERLAPPED ov3 = { 0, 0, 0, 0, NULL } ;
HANDLE hFile = CreateFile ( ……, FILE_FLAG_OVERLAPPED, …… ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf1, sizeof(bBuf1), &nReadByte, &ov1 ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf2, sizeof(bBuf2), &nReadByte, &ov2 ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf3, sizeof(bBuf3), &nReadByte, &ov3 ) ;
//假設(shè)三個I/O處理的時間比較長，到這里還沒有結(jié)束
GetOverlappedResult ( hFile, &ov1, &nRead, TRUE ) ;
這里對于hFile有三個重疊的I/O操作，但他們的同步對象卻都為hFile。使用GetOverlappedResult進(jìn)行等待操作，這里看似在等待第一個I/O處理的完成，其實(shí)只要有任何一個I/O處理完成，該函數(shù)就會返回，相當(dāng)于忽略了其他兩個I/O操作的結(jié)果。
其實(shí)，這里有一個很重要的原則：對于一個重疊句柄上有多于一個I/O操作的時候，應(yīng)該使用事件對象而不是文件句柄來實(shí)現(xiàn)同步。正確的實(shí)現(xiàn)見示例三。
代碼示例三：
代碼:
DWORD nReadByte ;
BYTE bBuf1[BUF_SIZE],bBuf2[BUF_SIZE],bBuf3[BUF_SIZE] ;
HANDLE hEvent1 = CreateEvent ( NULL, FALSE, FALSE, NULL ) ;
HANDLE hEvent2 = CreateEvent ( NULL, FALSE, FALSE, NULL ) ;
HANDLE hEvent3 = CreateEvent ( NULL, FALSE, FALSE, NULL ) ;
OVERLAPPED ov1 = { 0, 0, 0, 0, hEvent1 } ;
OVERLAPPED ov2 = { 0, 0, 0, 0, hEvent2 } ;
OVERLAPPED ov3 = { 0, 0, 0, 0, hEvent3 } ;
HANDLE hFile = CreateFile ( ……, FILE_FLAG_OVERLAPPED, …… ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf1, sizeof(bBuf1), &nReadByte, &ov1 ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf2, sizeof(bBuf2), &nReadByte, &ov2 ) ;
ReadFile ( hFile, bBuf3, sizeof(bBuf3), &nReadByte, &ov3 ) ;
//此時3個I/O操作的同步對象分別為hEvent1,hEvent2,hEvent3
GetOverlappedResult ( hFile, &ov1, &nRead, TRUE ) ;
這樣，這個GetOverlappedResult就可以實(shí)現(xiàn)對第一個I/O處理的等待
關(guān)于重疊I/O的就討論到這里，關(guān)于重疊I/O的實(shí)際應(yīng)用，可以參考《Windows系統(tǒng)編程之進(jìn)程通信》其中的命名管道實(shí)例。
http://bbs.pediy.com/showthread.php?s=&threadid=26252
三、 使用異步過程調(diào)用實(shí)現(xiàn)異步I/O
異步過程調(diào)用（APC），即在特定的上下文中異步的執(zhí)行一個調(diào)用。在異步I/O中可以使用APC，即讓操作系統(tǒng)的IO系統(tǒng)在完成異步I/O后立即調(diào)用你的程序。（在有些資料中，把異步I/O中的APC稱為“完成例程”，感覺這個名稱比較貼切，下文就以“完成例程”來表述。另外通常APC是作為線程同步這一塊的內(nèi)容，這里盡量淡化這個概念以免混淆。關(guān)于APC的詳細(xì)內(nèi)容到線程同步時再介紹 ）
這里需要注意三點(diǎn)：
（1） APC總是在調(diào)用線程中被調(diào)用；
（2） 當(dāng)執(zhí)行APC時，調(diào)用線程會進(jìn)入可變等待狀態(tài)；
（3） 線程需要使用擴(kuò)展I/O系列函數(shù)，例如ReadFileEx,WriteFileEx, 另外可變等待函數(shù)也是必須的（至少下面其中之一）：
WaitForSingleObjectEx
WaitForMultipleObjectEx
SleepEx
SignalObjectAndWait
MsgWaitForMultipleObjectsEx
在使用ReadFileEx,WriteFileEx時，重疊結(jié)構(gòu)OVERLAPPED中的hEvent成員并非一定要指定，因?yàn)橄到y(tǒng)會忽略它。當(dāng)多個IO操作共用同一個完成例程時，可以使用hEvent來攜帶序號等信息，用于區(qū)別不同的I/O操作，因?yàn)樵撝丿B結(jié)構(gòu)會傳遞給完成例程。如果多個IO操作使用的完成例程都不相同時，則直接把hEvent設(shè)置為NULL就可以了。
在系統(tǒng)調(diào)用完成例程有兩個條件：
（1） I/O操作必須完成
（2） 調(diào)用線程處于可變等待狀態(tài)
對于第一個條件比較容易，顯然完成例程只有在I/O操作完成時才調(diào)用；至于第二個條件就需要進(jìn)行認(rèn)為的控制，通過使用可變等待函數(shù)，讓調(diào)用線程處于可變等待狀態(tài)，這樣就可以執(zhí)行完成例程了。這里可以通過調(diào)節(jié)調(diào)用可變等待函數(shù)的時機(jī)來控制完成例程的執(zhí)行，即可以確保完成例程不會被過早的執(zhí)行。
當(dāng)線程具有多個完成例程時，就會形成一個隊列。使用可變等待函數(shù)使線程進(jìn)入可變等待狀態(tài)時有一個表示超時值的參數(shù)，如果使用INFINITE，那么只有所有排隊的完成例程被執(zhí)行或者句柄獲得信號時該等待函數(shù)才返回。
上面已經(jīng)對利用完成例程實(shí)現(xiàn)異步I/O的一些比較重要的細(xì)節(jié)進(jìn)行的簡潔的闡述，接下來就以一個實(shí)例來說明完成例程的具體實(shí)現(xiàn)過程。
實(shí)例一：使用完成例程的異步I/O示例
1、 設(shè)計目標(biāo)
體會完成例程的異步I/O實(shí)現(xiàn)原理及過程。
2、 問題的分析與設(shè)計
設(shè)計流程圖如下：
示圖說明：
三個IO操作分別是IO_A, IO_B, IO_C, 他們的完成例程分別是APC_A, APC_B, APC_C。IO_A, IO_B是兩個很短的IO操作，IO_C是一個比較費(fèi)時的IO操作。
3、 詳細(xì)設(shè)計（關(guān)鍵代碼如下,具體參見附件中的源代碼CompletionRoutine）
代碼:
VOID WINAPI APC_A ( DWORD dwError, DWORD cbTransferred, LPOVERLAPPED lpo )
{
pTempInfo.push_back ( "執(zhí)行IO_A的完成例程" ) ;
}
VOID WINAPI APC_B ( DWORD dwError, DWORD cbTransferred, LPOVERLAPPED lpo )
{
pTempInfo.push_back ( "執(zhí)行IO_B的完成例程" ) ;
}
VOID WINAPI APC_C ( DWORD dwError, DWORD cbTransferred, LPOVERLAPPED lpo )
{
pTempInfo.push_back ( "執(zhí)行IO_C的完成例程" ) ;
}
void CCompletionRoutineDlg::OnTest()
{
// TODO: Add your control notification handler code here
HANDLE hFile_A, hFile_B, hFile_C ;
OVERLAPPED ov_A = {0}, ov_B = {0}, ov_C = {0} ;
#define C_SIZE 1024 * 1024 * 32
string szText_A = "Sample A !" ;
string szText_B = "Sampel B !" ;
string szText_C ;
szText_C.resize ( C_SIZE ) ;
memset ( &(szText_C[0]), 0x40, C_SIZE ) ;
pTempInfo.clear () ;
hFile_A = CreateFile ( "A.txt", GENERIC_WRITE, 0, NULL, \
CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, NULL ) ;
hFile_B = CreateFile ( "B.txt", GENERIC_WRITE, 0, NULL, \
CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, NULL ) ;
hFile_C = CreateFile ( "C.txt", GENERIC_WRITE, 0, NULL, \
CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, NULL ) ;
WriteFileEx ( hFile_A, &(szText_A[0]), szText_A.length(), &ov_A, APC_A ) ;
pTempInfo.push_back ( "啟動IO_A, 并立即返回" ) ;
WriteFileEx ( hFile_B, &(szText_B[0]), szText_B.length(), &ov_B, APC_B ) ;
pTempInfo.push_back ( "啟動IO_B, 并立即返回" ) ;
WriteFileEx ( hFile_C, &(szText_C[0]), szText_C.size(), &ov_C, APC_C ) ;
pTempInfo.push_back ( "啟動IO_C, 并立即返回" ) ;
pTempInfo.push_back ( "進(jìn)入可變等待狀態(tài)" ) ;
SleepEx ( 1, true ) ;
pTempInfo.push_back ( "結(jié)束可變等待狀態(tài)" ) ;
pTempInfo.push_back ( "進(jìn)入可變等待狀態(tài)" ) ;
SleepEx ( 10000, true ) ;
pTempInfo.push_back ( "結(jié)束可變等待狀態(tài)" ) ;
CloseHandle ( hFile_A ) ;
CloseHandle ( hFile_B ) ;
CloseHandle ( hFile_C ) ;
m_ListBox.ResetContent () ;
list<string>::iterator p ;
for ( p = pTempInfo.begin(); p != pTempInfo.end(); p++ )
{
m_ListBox.AddString ( p->data() ) ;
}
DeleteFile ( "A.txt" ) ;
DeleteFile ( "B.txt" ) ;
DeleteFile ( "C.txt" ) ;
}
執(zhí)行后的效果如下（WinXP+SP2+VC6.0）：
4、 心得體會
每當(dāng)一個IO操作結(jié)束時會產(chǎn)生一個完成信息，如果該IO操作有完成例程的話就添加到完成例程隊列。一旦調(diào)用線程進(jìn)入可變等待狀態(tài)，就會依次執(zhí)行隊列中的完成例程。
在這個示例中還有一個問題，如果把這個軟件放在系統(tǒng)分區(qū)的文件目錄下可以正常執(zhí)行，而放在其他盤符下就會出現(xiàn)問題，執(zhí)行結(jié)果就不同，真是奇怪了。
四、使用完成端口（IOCP）
實(shí)例二、使用IOCP的異步I/O示例
1、設(shè)計目標(biāo)
體會完成端口的異步I/O實(shí)現(xiàn)原理及過程。
2、 問題的分析與設(shè)計
說明：
每個客戶端與一個管道進(jìn)行交互，而在交互過程中I/O操作結(jié)束后產(chǎn)生的完成包就會進(jìn)入“I/O完成包隊列”。完成端口的線程隊列中的線程使用GetQueuedCompletionStatus來檢測“I/O完成包隊列”中是否有完成包信息。
3、詳細(xì)設(shè)計（關(guān)鍵代碼如下，具體見附件中的源碼）
代碼:
UINT ServerThread ( LPVOID lpParameter )
{
……
while ( true )
{
GetQueuedCompletionStatus ( pMyDlg->hCompletionPort, &cbTrans, &dwCompletionKey, &lpov, INFINITE ) ;
if ( dwCompletionKey == -1 )
break ;
// 讀取管道信息
// 響應(yīng)管道信息（寫入）
}
return 0 ;
}
void CMyDlg::OnStart()
{
// 創(chuàng)建完成端口
hCompletionPort = CreateIoCompletionPort ( INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, nMaxThread ) ;
CString lpPipeName = "\\\\.\\Pipe\\NamedPipe" ;
for ( UINT i = 0; i < nMaxPipe; i++ )
{
// 創(chuàng)建命名管道
PipeInst[i].hPipe = CreateNamedPipe ( lpPipeName, PIPE_ACCESS_DUPLEX|FILE_FLAG_OVERLAPPED, \
PIPE_TYPE_BYTE|PIPE_READMODE_BYTE|PIPE_WAIT, nMaxPipe, 0, 0, INFINITE, NULL ) ;
……
// 把命名管道與完成端口關(guān)聯(lián)起來
HANDLE hRet = CreateIoCompletionPort ( PipeInst[i].hPipe, hCompletionPort, i, nMaxThread ) ;
……
// 等待連接
ConnectNamedPipe ( PipeInst[i].hPipe, &(PipeInst[i].ov) ) ;
}
// 創(chuàng)建線程
for ( i = 0; i < nMaxThread; i++ )
{
hThread[i] = AfxBeginThread ( ServerThread, NULL, THREAD_PRIORITY_NORMAL ) ;
}
……
}
void CMyDlg::OnStop()
{
for ( UINT i = 0; i < nMaxThread; i++ )
{
// 用來喚醒線程的虛假I/O完成包
PostQueuedCompletionStatus ( hCompletionPort, 0, -1, NULL ) ;
CloseHandle ( hThread[i] ) ;
}
for ( i = 0; i < nMaxPipe; i++ )
{
DisconnectNamedPipe ( PipeInst[i].hPipe ) ;
CloseHandle ( PipeInst[i].hPipe ) ;
}
……
}
4、心得體會
上面這個例子是關(guān)于完成端口的簡單應(yīng)用。可以這樣來理解完成端口，它與三種資源相關(guān)分別是管道、I/O完成包隊列、線程隊列，它的作用是協(xié)調(diào)這三種資源。
【參考文獻(xiàn)】
[1]. Windows系統(tǒng)編程. Johnson M.Hart著
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