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理解I/O Completion Port(完成端口)

歡迎閱讀此篇IOCP教程。我將先給出IOCP的定義然后給出它的實現(xiàn)方法，最后剖析一個Echo程序來為您撥開IOCP的謎云，除去你心中對IOCP的煩惱。OK，但我不能保證你明白IOCP的一切，但我會盡我最大的努力。以下是我會在這篇文章中提到的相關(guān)技術(shù)：
　　I/O端口
　　同步/異步
　　堵塞/非堵塞
　　服務(wù)端/客戶端
　　多線程程序設(shè)計
　　Winsock API 2.0

　　在這之前，我曾經(jīng)開發(fā)過一個項目，其中一塊需要網(wǎng)絡(luò)支持，當時還考慮到了代碼的可移植性，只要使用select,connect,accept,listen,send還有recv,再加上幾個#ifdef的封裝以用來處理Winsock和BSD套接字[socket]中間的不兼容性，一個網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)只用了幾個小時很少的代碼就寫出來了，至今還讓我很回味。那以后很長時間也就沒再碰了。

　　前些日子，我們策劃做一個網(wǎng)絡(luò)游戲，我主動承擔下網(wǎng)絡(luò)這一塊，想想這還不是小case,心里偷著樂啊。網(wǎng)絡(luò)游戲好啊，網(wǎng)絡(luò)游戲為成百上千的玩家提供了樂趣和令人著秘的游戲體驗，他們在線上互相戰(zhàn)斗或是加入隊伍去戰(zhàn)勝共同的敵人。我信心滿滿的準備開寫我的網(wǎng)絡(luò)，于是乎，發(fā)現(xiàn)過去的阻塞同步模式模式根本不能拿到一個巨量多玩家[MMP]的架構(gòu)中去，直接被否定掉了。于是乎，就有了IOCP，如果能過很輕易而舉的搞掂IOCP，也就不會有這篇教程了。下面請諸位跟隨我進入正題。

什么是IOCP？
先讓我們看看對IOCP的評價
I/O完成端口可能是Win32提供的最復雜的內(nèi)核對象。
[Advanced Windows 3rd] Jeffrey Richter
這是[IOCP]實現(xiàn)高容量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的最佳方法。
[Windows Sockets2.0:Write Scalable Winsock Apps Using Completion Ports]
Microsoft Corporation
完成端口模型提供了最好的伸縮性。這個模型非常適用來處理數(shù)百乃至上千個套接字。
[Windows網(wǎng)絡(luò)編程2nd] Anthony Jones & Jim Ohlund
I/O completion ports特別顯得重要，因為它們是唯一適用于高負載服務(wù)器[必須同時維護許多連接線路]的一個技術(shù)。Completion ports利用一些線程，幫助平衡由I/O請求所引起的負載。這樣的架構(gòu)特別適合用在SMP系統(tǒng)中產(chǎn)生的”scalable”服務(wù)器。
[Win32多線程程序設(shè)計] Jim Beveridge & Robert Wiener

看來我們完全有理由相信IOCP是大型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的首選。那IOCP到底是什么呢？

　　微軟在Winsock2中引入了IOCP這一概念。IOCP全稱I/O Completion Port，中文譯為I/O完成端口。IOCP是一個異步I/O的API，它可以高效地將I/O事件通知給應(yīng)用程序。與使用select()或是其它異步方法不同的是，一個套接字[socket]與一個完成端口關(guān)聯(lián)了起來，然后就可繼續(xù)進行正常的Winsock操作了。然而，當一個事件發(fā)生的時候，此完成端口就將被操作系統(tǒng)加入一個隊列中。然后應(yīng)用程序可以對核心層進行查詢以得到此完成端口。

　　這里我要對上面的一些概念略作補充，在解釋[完成]兩字之前，我想先簡單的提一下同步和異步這兩個概念，邏輯上來講做完一件事后再去做另一件事就是同步，而同時一起做兩件或兩件以上事的話就是異步了。你也可以拿單線程和多線程來作比喻。但是我們一定要將同步和堵塞，異步和非堵塞區(qū)分開來，所謂的堵塞函數(shù)諸如accept(…)，當調(diào)用此函數(shù)后，此時線程將掛起，直到操作系統(tǒng)來通知它，”HEY兄弟，有人連進來了”，那個掛起的線程將繼續(xù)進行工作，也就符合”生產(chǎn)者-消費者”模型。堵塞和同步看上去有兩分相似，但卻是完全不同的概念。大家都知道I/O設(shè)備是個相對慢速的設(shè)備，不論打印機，調(diào)制解調(diào)器，甚至硬盤，與CPU相比都是奇慢無比的，坐下來等I/O的完成是一件不甚明智的事情，有時候數(shù)據(jù)的流動率非常驚人，把數(shù)據(jù)從你的文件服務(wù)器中以Ethernet速度搬走，其速度可能高達每秒一百萬字節(jié)，如果你嘗試從文件服務(wù)器中讀取100KB，在用戶的眼光來看幾乎是瞬間完成，但是，要知道，你的線程執(zhí)行這個命令，已經(jīng)浪費了10個一百萬次CPU周期。所以說，我們一般使用另一個線程來進行I/O。重疊IO[overlapped I/O]是Win32的一項技術(shù)，你可以要求操作系統(tǒng)為你傳送數(shù)據(jù)，并且在傳送完畢時通知你。這也就是[完成]的含義。這項技術(shù)使你的程序在I/O進行過程中仍然能夠繼續(xù)處理事務(wù)。事實上，操作系統(tǒng)內(nèi)部正是以線程來完成overlapped I/O。你可以獲得線程所有利益，而不需要付出什么痛苦的代價。

　　完成端口中所謂的[端口]并不是我們在TCP/IP中所提到的端口，可以說是完全沒有關(guān)系。我到現(xiàn)在也沒想通一個I/O設(shè)備[I/O Device]和端口[IOCP中的Port]有什么關(guān)系。估計這個端口也迷惑了不少人。IOCP只不過是用來進行讀寫操作，和文件I/O倒是有些類似。既然是一個讀寫設(shè)備，我們所能要求它的只是在處理讀與寫上的高效。在文章的第三部分你會輕而易舉的發(fā)現(xiàn)IOCP設(shè)計的真正用意。

IOCP和網(wǎng)絡(luò)又有什么關(guān)系？

int main()
{
??? WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
??? ListeningSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
??? bind(ListeningSocket, (SOCKADDR*)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
??? listen(ListeningSocket, 5);
??? int nlistenAddrLen = sizeof(ClientAddr);
??? while(TRUE)
??? {
??????? NewConnection = accept(ListeningSocket, (SOCKADDR*)&ClientAddr, &nlistenAddrLen);
??????? HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (void*) NewConnection, 0, &dwTreadId);
??????? CloseHandle(hThread);
??? }
??? return 0;
}

　　相信只要寫過網(wǎng)絡(luò)的朋友，應(yīng)該對這樣的結(jié)構(gòu)在熟悉不過了。accept后線程被掛起，等待一個客戶發(fā)出請求，而后創(chuàng)建新線程來處理請求。當新線程處理客戶請求時，起初的線程循環(huán)回去等待另一個客戶請求。處理客戶請求的線程處理完畢后終結(jié)。

　　在上述的并發(fā)模型中，對每個客戶請求都創(chuàng)建了一個線程。其優(yōu)點在于等待請求的線程只需做很少的工作。大多數(shù)時間中，該線程在休眠[因為recv處于堵塞狀態(tài)]。

　　但是當并發(fā)模型應(yīng)用在服務(wù)器端[基于Windows NT]，Windows NT小組注意到這些應(yīng)用程序的性能沒有預(yù)料的那么高。特別的，處理很多同時的客戶請求意味著很多線程并發(fā)地運行在系統(tǒng)中。因為所有這些線程都是可運行的[沒有被掛起和等待發(fā)生什么事]，Microsoft意識到NT內(nèi)核花費了太多的時間來轉(zhuǎn)換運行線程的上下文[Context]，線程就沒有得到很多CPU時間來做它們的工作。

　　大家可能也都感覺到并行模型的瓶頸在于它為每一個客戶請求都創(chuàng)建了一個新線程。創(chuàng)建線程比起創(chuàng)建進程開銷要小，但也遠不是沒有開銷的。

　　我們不妨設(shè)想一下：如果事先開好N個線程，讓它們在那hold[堵塞]，然后可以將所有用戶的請求都投遞到一個消息隊列中去。然后那N個線程逐一從消息隊列中去取出消息并加以處理。就可以避免針對每一個用戶請求都開線程。不僅減少了線程的資源，也提高了線程的利用率。理論上很不錯，你想我等泛泛之輩都能想出來的問題，Microsoft又怎會沒有考慮到呢?!

　　這個問題的解決方法就是一個稱為I/O完成端口的內(nèi)核對象，他首次在Windows NT3.5中被引入。

　　其實我們上面的構(gòu)想應(yīng)該就差不多是IOCP的設(shè)計機理。其實說穿了IOCP不就是一個消息隊列嘛！你說這和[端口]這兩字有何聯(lián)系。我的理解就是IOCP最多是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)溝通的一個接口罷了。

　　至于IOCP的具體設(shè)計那我也很難說得上來，畢竟我沒看過實現(xiàn)的代碼，但你完全可以進行模擬，只不過性能可能…，如果想深入理解IOCP， Jeffrey Ritchter的Advanced Windows 3rd其中第13章和第14張有很多寶貴的內(nèi)容，你可以拿來窺視一下系統(tǒng)是如何完成這一切的。

實現(xiàn)方法

Microsoft為IOCP提供了相應(yīng)的API函數(shù)，主要的就兩個，我們逐一的來看一下：
HANDLE CreateIoCompletionPort (
??? HANDLE FileHandle,????????????? // handle to file
??? HANDLE ExistingCompletionPort,? // handle to I/O completion port
??? ULONG_PTR CompletionKey, ??? ?? // completion key
??? DWORD NumberOfConcurrentThreads // number of threads to execute concurrently
);

在討論各參數(shù)之前，首先要注意該函數(shù)實際用于兩個截然不同的目的：
1．用于創(chuàng)建一個完成端口對象
2．將一個句柄[HANDLE]和完成端口關(guān)聯(lián)到一起

　　在創(chuàng)建一個完成一個端口的時候，我們只需要填寫一下NumberOfConcurrentThreads這個參數(shù)就可以了。它告訴系統(tǒng)一個完成端口上同時允許運行的線程最大數(shù)。在默認情況下，所開線程數(shù)和CPU數(shù)量相同，但經(jīng)驗給我們一個公式：
　　線程數(shù) = CPU數(shù) * 2 + 2
要使完成端口有用，你必須把它同一個或多個設(shè)備相關(guān)聯(lián)。這也是調(diào)用CreateIoCompletionPort完成的。你要向該函數(shù)傳遞一個已有的完成端口的句柄，我們既然要處理網(wǎng)絡(luò)事件，那也就是將客戶的socket作為HANDLE傳進去。和一個完成鍵[對你有意義的一個32位值，也就是一個指針，操作系統(tǒng)并不關(guān)心你傳什么]。每當你向端口關(guān)聯(lián)一個設(shè)備時，系統(tǒng)向該完成端口的設(shè)備列表中加入一條信息紀錄。

另一個API就是
BOOL GetQueuedCompletionStatus(
??? HANDLE CompletionPort, ??? ?? // handle to completion port
??? LPDWORD lpNumberOfBytes, ????? // bytes transferred
??? PULONG_PTR lpCompletionKey,?? // file completion key
??? LPOVERLAPPED *lpOverlapped,?? // buffer
??? DWORD dwMilliseconds ??? ? 　 // optional timeout value
);

第一個參數(shù)指出了線程要監(jiān)視哪一個完成端口。很多服務(wù)應(yīng)用程序只是使用一個I/O完成端口，所有的I/O請求完成以后的通知都將發(fā)給該端口。簡單的說，GetQueuedCompletionStatus使調(diào)用線程掛起，直到指定的端口的I/O完成隊列中出現(xiàn)了一項或直到超時。同I/O完成端口相關(guān)聯(lián)的第3個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是使線程得到完成I/O項中的信息：傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，完成鍵和OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的地址。該信息是通過傳遞給GetQueuedCompletionSatatus的lpdwNumberOfBytesTransferred，lpdwCompletionKey和lpOverlapped參數(shù)返回給線程的。

根據(jù)到目前為止已經(jīng)講到的東西，首先來構(gòu)建一個frame。下面為您說明了如何使用完成端口來開發(fā)一個echo服務(wù)器。大致如下：
　　1.初始化Winsock
　　2.創(chuàng)建一個完成端口
　　3.根據(jù)服務(wù)器線程數(shù)創(chuàng)建一定量的線程數(shù)
　　4.準備好一個socket進行bind然后listen
　　5.進入循環(huán)accept等待客戶請求
　　6.創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)容納socket和其他相關(guān)信息
　　7.將連進來的socket同完成端口相關(guān)聯(lián)
　　8.投遞一個準備接受的請求
以后就不斷的重復5至8的過程
那好，我們用具體的代碼來展示一下細節(jié)的操作。
至此文章也該告一段落了,我?guī)е隽艘惶诵L般的旅游,游覽了所謂的完成端口。

posted on 2006-12-15 12:21 大龍閱讀(264) 評論(0) 編輯收藏引用

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