IOCP（I/O Completion Port，I/O完成端口）是性能最好的一種I/O模型。它是應用程序使用線程池處理異步I/O請求的一種機制。在處理多個并發的異步I/O請求時，以往的模型都是在接收請求是創建一個線程來應答請求。這樣就有很多的線程并行地運行在系統中。而這些線程都是可運行的，Windows內核花費大量的時間在進行線程的上下文切換，并沒有多少時間花在線程運行上。再加上創建新線程的開銷比較大，所以造成了效率的低下。
調用的步驟如下:
抽象出一個完成端口大概的處理流程：
1：創建一個完成端口。
2：創建一個線程A。
3：A線程循環調用GetQueuedCompletionStatus()函數來得到IO操作結果，這個函數是個阻塞函數。
4：主線程循環里調用accept等待客戶端連接上來。
5：主線程里accept返回新連接建立以后，把這個新的套接字句柄用CreateIoCompletionPort關聯到完成端口，然后發出一個異步的WSASend或者WSARecv調用，因為是異步函數，WSASend/WSARecv會馬上返回，實際的發送或者接收數據的操作由WINDOWS系統去做。
6：主線程繼續下一次循環，阻塞在accept這里等待客戶端連接。
7：WINDOWS系統完成WSASend或者WSArecv的操作，把結果發到完成端口。
8：A線程里的GetQueuedCompletionStatus()馬上返回，并從完成端口取得剛完成的WSASend/WSARecv的結果。
9：在A線程里對這些數據進行處理(如果處理過程很耗時，需要新開線程處理)，然后接著發出WSASend/WSARecv，并繼續下一次循環阻塞在GetQueuedCompletionStatus()這里。
歸根到底概括完成端口模型一句話：
我們不停地發出異步的WSASend/WSARecv IO操作，具體的IO處理過程由WINDOWS系統完成，WINDOWS系統完成實際的IO處理后，把結果送到完成端口上（如果有多個IO都完成了，那么就在完成端口那里排成一個隊列）。我們在另外一個線程里從完成端口不斷地取出IO操作結果，然后根據需要再發出WSASend/WSARecv IO操作。
而IOCP模型是事先開好了N個線程，存儲在線程池中，讓他們hold。然后將所有用戶的請求都投遞到一個完成端口上，然后N個工作線程逐一地從完成端口中取得用戶消息并加以處理。這樣就避免了為每個用戶開一個線程。既減少了線程資源，又提高了線程的利用率。
完成端口模型是怎樣實現的呢？我們先創建一個完成端口（::CreateIoCompletioPort()）。然后再創建一個或多個工作線程，并指定他們到這個完成端口上去讀取數據。我們再將遠程連接的套接字句柄關聯到這個完成端口（還是用::CreateIoCompletionPort()）。一切就OK了。
工作線程都干些什么呢？首先是調用::GetQueuedCompletionStatus()函數在關聯到這個完成端口上的所有套接字上等待I/O的完成。再判斷完成了什么類型的I/O。一般來說，有三種類型的I/O，OP_ACCEPT，OP_READ和OP_WIRTE。我們到數據緩沖區內讀取數據后，再投遞一個或是多個同類型的I/O即可（::AcceptEx()、::WSARecv()、::WSASend()）。對讀取到的數據，我們可以按照自己的需要來進行相應的處理。
為此，我們需要一個以OVERLAPPED（重疊I/O）結構為第一個字段的per-I/O數據自定義結構。
typedef struct _PER_IO_DATA
{
OVERLAPPED ol; // 重疊I/O結構
char buf[BUFFER_SIZE]; // 數據緩沖區
int nOperationType; //I/O操作類型
#define OP_READ 1
#define OP_WRITE 2
#define OP_ACCEPT 3
} PER_IO_DATA, *PPER_IO_DATA;
將一個PER_IO_DATA結構強制轉化成一個OVERLAPPED結構傳給::GetQueuedCompletionStatus()函數，返回的這個PER_IO_DATA結構的的nOperationType就是I/O操作的類型。當然，這些類型都是在投遞I/O請求時自己設置的。
這樣一個IOCP服務器的框架就出來了。當然，要做一個好的IOCP服務器，還有考慮很多問題，如內存資源管理、接受連接的方法、惡意的客戶連接、包的重排序等等。以上是個人對于IOCP模型的一些理解與看法，還有待完善。另外各Winsock API的用法參見MSDN。
補充IOCP模型的實現：
//創建一個完成端口
HANDLE FCompletPort = CreateIoCompletionPort( INVALID_HANDLE_VALUE, 0,0,0 );
//接受遠程連接，并把這個連接的socket句柄綁定到剛才創建的IOCP上
AConnect = accept( FListenSock, addr, len);
CreateIoCompletionPort( AConnect, FCompletPort, NULL, 0 );
//創建CPU數*2 + 2個線程
SYSTEM_INFO si;
GetSystemInfo(&si);
for (int i=1;si.dwNumberOfProcessors*2+2;i++)
{
AThread = TRecvSendThread.Create( false );
AThread.CompletPort = FCompletPort;//告訴這個線程，你要去這個IOCP去訪問數據
}
OK，就這么簡單，我們要做的就是建立一個IOCP，把遠程連接的socket句柄綁定到剛才創建的IOCP上，最后創建n個線程，并告訴這n個線程到這個IOCP上去訪問數據就可以了。
再看一下TRecvSendThread線程都干些什么：
void TRecvSendThread.Execute(...)
{
while (!self.Terminated)
{
//查詢IOCP狀態（數據讀寫操作是否完成）
GetQueuedCompletionStatus( CompletPort, BytesTransd, CompletKey, POVERLAPPED(pPerIoDat), TIME_OUT );
if (BytesTransd !=0) .......
....;//數據讀寫操作完成
//再投遞一個讀數據請求
WSARecv( CompletKey, &(pPerIoDat->BufData), 1, BytesRecv, Flags, &(pPerIoDat->Overlap), NULL );
}
}
讀寫線程只是簡單地檢查IOCP是否完成了我們投遞的讀寫操作，如果完成了則再投遞一個新的讀寫請求。
應該注意到，我們創建的所有TRecvSendThread都在訪問同一個IOCP（因為我們只創建了一個IOCP），并且我們沒有使用臨界區！難道不會產生沖突嗎？不用考慮同步問題嗎？
呵呵，這正是IOCP的奧妙所在。IOCP不是一個普通的對象，不需要考慮線程安全問題。它會自動調配訪問它的線程：如果某個socket上有一個線程A正在訪問，那么線程B的訪問請求會被分配到另外一個socket。這一切都是由系統自動調配的，我們無需過問。
實例:
簡單實現，適合IOCP入門
參考：《WINDOWS網絡與通信程序設計》
/******************************************************************
*
* Copyright (c) 2008, xxxxx有限公司
* All rights reserved.
*
* 文件名稱：IOCPHeader.h
* 摘 要： IOCP定義文件
*
* 當前版本：1.0
* 作 者：吳會然
* 完成日期：2008-9-16
*
* 取代版本：
* 原 作者：
* 完成日期：
*
******************************************************************/
#ifndef _IOCPHEADER_H_20080916_
#define _IOCPHEADER_H_20080916_
#include <WINSOCK2.H>
#include <windows.h>
#define BUFFER_SIZE 1024
/******************************************************************
* per_handle 數據
*******************************************************************/
typedef struct _PER_HANDLE_DATA
{
SOCKET s; // 對應的套接字句柄
sockaddr_in addr; // 對方的地址
}PER_HANDLE_DATA, *PPER_HANDLE_DATA;
/******************************************************************
* per_io 數據
*******************************************************************/
typedef struct _PER_IO_DATA
{
OVERLAPPED ol; // 重疊結構
char buf[BUFFER_SIZE]; // 數據緩沖區
int nOperationType; // 操作類型
#define OP_READ 1
#define OP_WRITE 2
#define OP_ACCEPT 3
}PER_IO_DATA, *PPER_IO_DATA;
#endif
/******************************************************************
*
* Copyright (c) 2008, xxxxx有限公司
* All rights reserved.
*
* 文件名稱：main.cpp
* 摘 要： iocp demo
*
* 當前版本：1.0
* 作 者：吳會然
* 完成日期：2008-9-16
*
* 取代版本：
* 原 作者：
* 完成日期：
*
******************************************************************/
#include <iostream>
#include <string>
#include "IOCPHeader.h"
using namespace std;
DWORD WINAPI ServerThread( LPVOID lpParam );
int main( int argc, char *argv[] )
{
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
WSADATA wsaData;
if( 0 != WSAStartup( MAKEWORD( 2, 2 ), &wsaData ) )
{
printf( "Using %s (Status:%s)\n", wsaData.szDescription, wsaData.szSystemStatus );
printf( "with API versions: %d.%d to %d.%d",
LOBYTE( wsaData.wVersion), HIBYTE( wsaData.wVersion ),
LOBYTE( wsaData.wHighVersion), HIBYTE( wsaData.wHighVersion) );
return -1;
}
else
{
printf("Windows sockets 2.2 startup\n");
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int nPort = 20055;
// 創建完成端口對象
// 創建工作線程處理完成端口對象的事件
HANDLE hIocp = ::CreateIoCompletionPort( INVALID_HANDLE_VALUE, 0, 0, 0 );
::CreateThread( NULL, 0, ServerThread, (LPVOID)hIocp, 0, 0 );
// 創建監聽套接字，綁定本地端口，開始監聽
SOCKET sListen = ::socket( AF_INET,-SOCK_STREAM, 0 );
SOCKADDR_IN addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = ::htons( nPort );
addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
::bind( sListen, (sockaddr *)&addr, sizeof( addr ) );
::listen( sListen, 5 );
printf( "iocp demo start......\n" );
// 循環處理到來的請求
while ( TRUE )
{
// 等待接受未決的連接請求
SOCKADDR_IN saRemote;
int nRemoteLen = sizeof( saRemote );
SOCKET sRemote = ::accept( sListen, (sockaddr *)&saRemote, &nRemoteLen );
// 接受到新連接之后，為它創建一個per_handle數據，并將他們關聯到完成端口對象
PPER_HANDLE_DATA pPerHandle = ( PPER_HANDLE_DATA )::GlobalAlloc( GPTR, sizeof( PPER_HANDLE_DATA ) );
if( pPerHandle == NULL )
{
break;
}
pPerHandle->s = sRemote;
memcpy( &pPerHandle->addr, &saRemote, nRemoteLen );
::CreateIoCompletionPort( ( HANDLE)pPerHandle->s, hIocp, (DWORD)pPerHandle, 0 );
// 投遞一個接受請求
PPER_IO_DATA pIoData = ( PPER_IO_DATA )::GlobalAlloc( GPTR, sizeof( PPER_IO_DATA ) );
if( pIoData == NULL )
{
break;
}
pIoData->nOperationType = OP_READ;
WSABUF buf;
buf.buf = pIoData->buf;
buf.len = BUFFER_SIZE;
DWORD dwRecv = 0;
DWORD dwFlags = 0;
::WSARecv( pPerHandle->s, &buf, 1, &dwRecv, &dwFlags, &pIoData->ol, NULL );
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
ERROR_PROC:
WSACleanup();
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
return 0;
}
/******************************************************************
* 函數介紹：處理完成端口對象事件的線程
* 輸入參數：
* 輸出參數：
* 返回值 ：
*******************************************************************/
DWORD WINAPI ServerThread( LPVOID lpParam )
{
HANDLE hIocp = ( HANDLE )lpParam;
if( hIocp == NULL )
{
return -1;
}
DWORD dwTrans = 0;
PPER_HANDLE_DATA pPerHandle;
PPER_IO_DATA pPerIo;
while( TRUE )
{
// 在關聯到此完成端口的所有套接字上等待I/O完成
BOOL bRet = ::GetQueuedCompletionStatus( hIocp, &dwTrans, (LPDWORD)&pPerHandle, (LPOVERLAPPED*)&pPerIo, WSA_INFINITE );
if( !bRet ) // 發生錯誤
{
::closesocket( pPerHandle->s );
::GlobalFree( pPerHandle );
::GlobalFree( pPerIo );
cout << "error" << endl;
continue;
}
// 套接字被對方關閉
if( dwTrans == 0 && ( pPerIo->nOperationType == OP_READ || pPerIo->nOperationType&nb-sp;== OP_WRITE ) )
{
::closesocket( pPerHandle->s );
::GlobalFree( pPerHandle );
::GlobalFree( pPerIo );
cout << "client closed" << endl;
continue;
}
switch ( pPerIo->nOperationType )
{
case OP_READ: // 完成一個接收請求
{
pPerIo->buf[dwTrans] = '\0';
printf( "%s\n", pPerIo->buf );
// 繼續投遞接受操作
WSABUF buf;
buf.buf = pPerIo->buf;
buf.len = BUFFER_SIZE;
pPerIo->nOperationType = OP_READ;
DWORD dwRecv = 0;
DWORD dwFlags = 0;
::WSARecv( pPerHandle->s, &buf, 1, &dwRecv, &dwFlags, &pPerIo->ol, NULL );
}
break;
case OP_WRITE:
case OP_ACCEPT:
break;
}
}
return 0;
}
posted on 2011-07-13 16:19
胡滿超 閱讀(818)
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