本文主要探討一下windows平臺上的完成端口開發(fā)及其與之相關的幾個重要的技術概念，這些概念都是與基于IOCP的開發(fā)密切相關的，對開發(fā)人員來講，又不得不給予足夠重視的幾個概念:
1) 基于IOCP實現(xiàn)的服務吞吐量
2）IOCP模式下的線程切換
3）基于IOCP實現(xiàn)的消息的亂序問題。
一、IOCP簡介
提到IOCP，大家都非常熟悉，其基本的編程模式，我就不在這里展開了。在這里我主要是把IOCP中所提及的概念做一個基本性的總結。IOCP的基本架構圖如下：
如圖所示：在IOCP中，主要有以下的參與者：
--》完成端口：是一個FIFO隊列，操作系統(tǒng)的IO子系統(tǒng)在IO操作完成后，會把相應的IO packet放入該隊列。
--》等待者線程隊列：通過調(diào)用GetQueuedCompletionStatus API，在完成端口上等待取下一個IO packet。
--》執(zhí)行者線程組：已經(jīng)從完成端口上獲得IO packet，在占用CPU進行處理。
除了以上三種類型的參與者。我們還應該注意兩個關聯(lián)關系，即：
--》IO Handle與完成端口相關聯(lián)：任何期望使用IOCP的方式來處理IO請求的，必須將相應的IO Handle與該完成端口相關聯(lián)。需要指出的時，這里的IO Handle，可以是File的Handle,或者是Socket的Handle。
--》線程與完成端口相關聯(lián)：任何調(diào)用GetQueuedCompletionStatus API的線程，都將與該完成端口相關聯(lián)。在任何給定的時候，該線程只能與一個完成端口相關聯(lián)，與最后一次調(diào)用的GetQueuedCompletionStatus為準。
二、高并發(fā)的服務器(基于socket)實現(xiàn)方法
一般來講，實現(xiàn)基于socket的服務器，有三種實現(xiàn)的方式(thread per request的方式，我就不提了:))：
第一、線程池的方式。使用線程池來對客戶端請求進行服務。使用這種方式時，當客戶端對服務器的連接是短連接（所謂的短連接，即：客戶端對服務器不是長時間連接）時，是可以考慮的。但是，如若客戶端對服務器的連接是長連接時，我們需要限制服務器端的最大連接數(shù)目為線程池線程的最大數(shù)目，而這應用的設計本身來講，是不好的設計方式，scalability會存在問題。
第二、基于Select的服務器實現(xiàn)。其本質(zhì)是，使用Select(操作系統(tǒng)提供的API)來監(jiān)視連接是否可讀，可寫，或者是否出錯。相比于前一種方式，Select允許應用使用一個線程(或者是有限幾個線程)來監(jiān)視連接的可讀寫性。當有連接可讀可寫時，應用可以以non-bolock的方式讀寫socket上的數(shù)據(jù)。使用Select的方式的缺點是，當Select所監(jiān)視的連接數(shù)目在千的數(shù)量級時，性能會打折扣。這是因為操作系統(tǒng)內(nèi)核需要在內(nèi)部對這些Socket進行輪詢，以檢查其可讀寫性。另一個問題是：應用必須在處理完所有的可讀寫socket的IO請求之后，才能再次調(diào)用Select,進行下一輪的檢查，否則會有潛在的問題。這樣，造成的結果是，對一些請求的處理會出現(xiàn)饑餓的現(xiàn)象。
一般common的做法是Select結合Leader-Follower設計模式使用。不過不管怎樣，Select的本質(zhì)造成了其在Scalability的問題是不如IOCP，這也是很多high-scalabe的服務器采用IOCP的原因。
第三、IOCP實現(xiàn)高并發(fā)的服務器。IOCP是實現(xiàn)high-scalabe的服務器的首選。其特點我們專門在下一小姐陳述。
三、IOCP開發(fā)的幾個概念
第一、服務器的吞吐量問題。
我們都知道，基于IOCP的開發(fā)是異步IO的，也正是這一技術的本質(zhì)，決定了IOCP所實現(xiàn)的服務器的高吞吐量。
我們舉一個及其簡化的例子，來說明這一問題。在網(wǎng)絡服務器的開發(fā)過程中，影響其性能吞吐量的，有很多因素，在這里，我們只是把關注點放在兩個方面，即：網(wǎng)絡IO速度與Disk IO速度。我們假設：在一個千兆的網(wǎng)絡環(huán)境下，我們的網(wǎng)絡傳輸速度的極限是大概125M/s，而Disk IO的速度是10M/s。在這樣的前提下，慢速的Disk 設備會成為我們整個應用的瓶頸。我們假設線程A負責從網(wǎng)絡上讀取數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)寫入Disk。如果對Disk的寫入是同步的，那么線程A在等待寫完Disk的過程是不能再從網(wǎng)絡上接受數(shù)據(jù)的，在寫入Disk的時間內(nèi)，我們可以認為這時候Server的吞吐量為0(沒有接受新的客戶端請求)。對于這樣的同步讀寫Disk，一些的解決方案是通過增加線程數(shù)來增加服務器處理的吞吐量，即：當線程A從網(wǎng)絡上接受數(shù)據(jù)后，驅動另外單獨的線程來完成讀寫Disk任務。這樣的方案缺點是：需要線程間的合作，需要線程間的切換（這是另一個我們要討論的問題）。而IOCP的異步IO本質(zhì)，就是通過操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持，允許線程A以非阻塞的方式向IO子系統(tǒng)投遞IO請求，而后馬上從網(wǎng)絡上讀取下一個客戶端請求。這樣，結果是：在不增加線程數(shù)的情況下，IOCP大大增加了服務器的吞吐量。說到這里，聽起來感覺很像是DMA。的確，許多軟件的實現(xiàn)技術，在本質(zhì)上，與硬件的實現(xiàn)技術是相通的。另外一個典型的例子是硬件的流水線技術，同樣，在軟件領域，也有很著名的應用。好像話題扯遠了，呵呵:)
第二、線程間的切換問題。
服務器的實現(xiàn)，通過引入IOCP，會大大減少Thread切換帶來的額外開銷。我們都知道，對于服務器性能的一個重要的評估指標就是：System\Context Switches，即單位時間內(nèi)線程的切換次數(shù)。如果在每秒內(nèi)，線程的切換次數(shù)在千的數(shù)量級上，這就意味著你的服務器性能值得商榷。Context Switches/s應該越小越好。說到這里，我們來重新審視一下IOCP。
完成端口的線程并發(fā)量可以在創(chuàng)建該完成端口時指定（即NumberOfConcurrentThreads參數(shù)）。該并發(fā)量限制了與該完成端口相關聯(lián)的可運行線程的數(shù)目(就是前面我在IOCP簡介中提到的執(zhí)行者線程組的最大數(shù)目)。當與該完成端口相關聯(lián)的可運行線程的總數(shù)目達到了該并發(fā)量，系統(tǒng)就會阻塞任何與該完成端口相關聯(lián)的后續(xù)線程的執(zhí)行，直到與該完成端口相關聯(lián)的可運行線程數(shù)目下降到小于該并發(fā)量為止。最有效的假想是發(fā)生在有完成包在隊列中等待，而沒有等待被滿足，因為此時完成端口達到了其并發(fā)量的極限。此時，一個正在運行中的線程調(diào)用GetQueuedCompletionStatus時，它就會立刻從隊列中取走該完成包。這樣就不存在著環(huán)境的切換，因為該處于運行中的線程就會連續(xù)不斷地從隊列中取走完成包，而其他的線程就不能運行了。
完成端口的線程并發(fā)量的建議值就是你系統(tǒng)CPU的數(shù)目。在這里，要區(qū)分清楚的是，完成端口的線程并發(fā)量與你為完成端口創(chuàng)建的工作者線程數(shù)是沒有任何關系的，工作者線程數(shù)的數(shù)目，完全取決于你的整個應用的設計（當然這個不宜過大，否則失去了IOCP的本意:)）。
第三、IOCP開發(fā)過程中的消息亂序問題。
使用IOCP開發(fā)的問題在于它的復雜。我們都知道，在使用TCP時，TCP協(xié)議本身保證了消息傳遞的次序性，這大大降低了上層應用的復雜性。但是當使用IOCP時，問題就不再那么簡單。如下例：
三個線程同時從IOCP中讀取Msg1, Msg2,與Msg3。由于TCP本身消息傳遞的有序性，所以，在IOCP隊列內(nèi)，Msg1-Msg2-Msg3保證了有序性。三個線程分別從IOCP中取出Msg1,Msg2與Msg3,然后三個線程都會將各自取到的消息投遞到邏輯層處理。在邏輯處理層的實現(xiàn)，我們不應該假定Msg1-Msg2-Msg3順序，原因其實很簡單，在Time 1~Time 2的時間段內(nèi)，三個線程被操作系統(tǒng)調(diào)度的先后次序是不確定的，所以在到達邏輯處理層，
Msg1,Msg2與Msg3的次序也就是不確定的。所以，邏輯處理層的實現(xiàn)，必須考慮消息亂序的情況，必須考慮多線程環(huán)境下的程序實現(xiàn)。
在這里，我把消息亂序的問題單列了出來。其實在IOCP的開發(fā)過程中，相比于同步的方式，應該還有其它更多的難題需要解決，這也是與Select方式相比，IOCP的缺點，實現(xiàn)復雜度高。
結束語：
ACE的Proactor Framework， 對windows平臺的IOCP做了基于Proactor設計模式的，面向對象的封裝，這在一定程度上簡化了應用開發(fā)的難度，是一個很好的異步IO的開發(fā)框架，推薦學習使用。
Reference:
Microsoft Technet,Inside I/O Completion Ports