Windows異步I/O和完成端口

作者: 大彭發布時間: 2014-11-15 10:32 閱讀: 4445 次推薦: 3 原文鏈接 [收藏]

　　上周做了一次關于Windows異步I/O和完成端口的部門技術分享，著重于理論介紹，順帶review基于IOCP的網絡庫代碼。

　　完成端口是異步I/O的一種，將這兩個并列作為標題，因為完成端口的復雜性及用途相比其他幾種異步I/O加起來還過之。Windows核心編程中關于設備異步I/O介紹的很明白，這里再回顧一下。

　　先區分兩組概念：同步/異步(Async/Sync)，阻塞/非阻塞(blocking/non-blocking)

　　這兩組概念很曖昧，有時可以不用分的很清楚。我將這兩組概念分別定性為面向結果和面向過程。想象生活中排隊的場景。印象中排隊最痛苦的是2010那年在上海觀看世博會，每進一個場館要排上2-5個小時，而且天氣燥熱，排隊過程中異常難耐。另外一種進場館的方式就是憑預約票，可以在當天按票上時間段進場。排隊進館就是一種同步方式，直到隊伍中輪到你才可以進去，憑票進館則是異步方式，兩種方式都是面向同一個結果：進館。但是排隊過程中，只能在隊伍中等待，意味著行為失去自由，也就是阻塞，什么事也做不了；而憑票則可以在進館之前到任何其他想去的地方，行動自由，也就是非阻塞的。從這個例子中可以看出為什么喜歡異步和非阻塞了，體現在程序中，則是它們的性能差別（可以看這篇）。現在開始介紹異步I/O。

　　一、請求異步I/O的條件

　　任何異步I/O都需要有系統設施的支撐，正如取票進館需要有預約票作憑證。請求異步I/O也需要兩個基本條件：隊列和重疊結構（OVERLAPPED，重疊是指I/O請求的時間和線程執行其他任務的時間是重疊的）。

typedef struct _OVERLAPPED { 
    ULONG_PTR Internal;        // I/O請求錯誤碼
    ULONG_PTR InternalHigh;    // 已傳輸字節數
    DWORD Offset;              // I/O操作位置（低、高位），非文件設備忽略
    DWORD OffsetHigh; 
    HANDLE hEvent;             // 內核事件對象或自定義結構
}OVERLAPPED;

　　隊列由設備驅動程序維護，記錄I/O請求信息，其中包含數據地址和重疊結構的信息。

　　正是這個隊列和重疊結構，設備知道要將什么數據寫到什么位置上去或從什么位置讀取數據。并通知完成結果給程序。通知方式的不同決定了它們的性能差異，同樣，每種方式都需要不同的系統設施支持。

　　二、接收完成通知方式

　　1、觸發設備內核對象

工作機制

　　線程觸發一個異步I/O請求→設備內核對象被設為未觸發狀態→線程繼續執行其他任務，直到某個點線程開始等待，設備完成I/O操作，設備內核對象被設為觸發狀態→程序收到I/O完成。

硬件設施

　　設備內核對象（句柄）。

局限

　　只能同時執行單個I/O請求。

　　2、觸發事件內核對象

工作機制

　　線程設置事件內核對象(未觸發狀態)，觸發一個異步I/O請求→線程繼續執行其他任務，直到某個點線程開始等待，設備完成I/O操作，事件內核對象被設為觸發狀態→程序收到I/O完成。

硬件設施

　　事件內核對象（句柄）。

局限

　　事件內核對象有限，不能滿足大量I/O請求。

　　3、可提醒I/O

工作機制

　　在使用可提醒I/O時，系統為程序發起I/O的線程創建了一個APC(Async Procedure Call)隊列，在設備完成I/O操作時，驅動程序將操作結果放入該隊列，其中包含程序傳遞給系統的完成回調函數和重疊結構，對程序來說，該隊列是透明的。此時線程還不知道是否IO完成。在線程進入可提醒狀態（調用了SleepEx及Wait*等函數），系統遍歷隊列，取出完成通知，然后讓線程執行完成回調函數。