Windows异步I/O和完成端口

yonghu

Windows异步I/O和完成端口

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上周做了一次关于Windows异步I/O和完成端口的部门技术分享，着重于理论介绍， 顺带review基于IOCP的网络库代码。
完成端口是异步I/O的一种，将这两个并列作为标题，因为完成端口的复杂性及用途相比其他几种异步I/O加起来还过之。Windows核心编程中关于设备异步I/O介绍的很明白，这里再回顾一下。

先区分两组概念：同步/异步(Async/Sync)，阻塞/非阻塞(blocking/non-blocking)
这两组概念很暧昧，有时可以不用分的很清楚。我将这两组概念分别定性为面向结果和面向过程。想象生活中排队的场景。印象中排队最痛苦的是2010那年在上海观看世博会，每进一个场馆要排上2-5个小时，而且天气燥热，排队过程中异常难耐。另外一种进场馆的方式就是凭预约票，可以在当天按票上时间段进场。排队进馆就是一种同步方式，直到队伍中轮到你才可以进去，凭票进馆则是异步方式，两种方式都是面向同一个结果：进馆。但是排队过程中，只能在队伍中等待，意味着行为失去自由，也就是阻塞，什么事也做不了，而凭票则可以在进馆之前到任何其他想去的地方，行动自由，也就是非阻塞的。从这个例子中可以看出为什么喜欢异步和非阻塞了，体现在程序中，则是它们的性能差别（可以看这篇）。现在开始介绍异步I/O。
一、请求异步i/o的条件
任何异步I/O都需要有系统设施的支撑，正如取票进馆需要有预约票作凭证。请求异步I/O也需要两个基本条件：队列和重叠结构（OVERLAPPED，重叠是指I/O请求的时间和线程执行其他任务的时间是重叠的）。

typedef struct _OVERLAPPED {
ULONG_PTR Internal;             // I/O请求错误码
ULONG_PTR InternalHigh;         // 已传输字节数
DWORD Offset;                   // I/O操作位置（低、高位），非文件设备忽略
DWORD OffsetHigh;
HANDLE hEvent;                  // 内核事件对象或自定义结构
}OVERLAPPED;
队列由设备驱动程序维护，记录I/O请求信息，其中包含数据地址和重叠结构的信息。
正是这个队列和重叠结构，设备知道要将什么数据写到什么位置上去或从什么位置读取数据。并通知完成结果给程序。通知方式的不同决定了它们的性能差异，同样，每种方式都需要不同的系统设施支持。
二、接收完成通知方式
1、触发设备内核对象

• 工作机制
  

线程触发一个异步I/O请求→设备内核对象被设为未触发状态→线程继续执行其他任务，直到某个点线程开始等待，设备完成I/O操作，设备内核对象被设为触发状态→程序收到I/O完成。

• 硬件设施
  

设备内核对象（句柄）。

• 局限
  

只能同时执行单个I/O请求。
2、触发事件内核对象

• 工作机制
  

线程设置事件内核对象(未触发状态)，触发一个异步I/O请求→线程继续执行其他任务，直到某个点线程开始等待，设备完成I/O操作，事件内核对象被设为触发状态→程序收到I/O完成。

• 硬件设施
  

事件内核对象（句柄）。

• 局限
  

事件内核对象有限，不能满足大量I/O请求。
3、可提醒i/o

• 工作机制
  

在使用可提醒I/O时，系统为程序发起I/O的线程创建了一个APC(Async Procedure Call)队列，在设备完成I/O操作时，驱动程序将操作结果放入该队列，其中包含程序传递给系统的完成回调函数和重叠结构，对程序来说，该队列时透明的。此时线程还不知道是否IO完成。在线程进入可提醒状态（调用了SleepEx及Wait*等函数），系统遍历队列，取出完成通知，然后让线程执行完成回调函数。

• 硬件设施
  

• 局限
  

谁请求谁处理完成通知，其他线程一直闲着没活干。
4、i/o完成端口

• 是什么？
  

一种线程池机制（MSDN）
一种绝佳的线程间通信机制（Windows核心编程）
一种线程同步对象

• 做什么？
  

密匙掌握在你手上！

• 硬件设施
  

I/O完成端口包含大量的主题可以讨论，尤其应用在高性能易伸缩服务器上，以后再详细讨论。

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