核心编程笔记9——内核对象的线程同步2

“信号量内核对象”用于对资源进行计数。

　　在信号量内核对象内部，和其他内核对象一样，有一个使用计数，该使用计数表示信号量内核对象被打开的次数。

　　信号量内核对象中还有两个比较重要的数据，分别表示最大资源数和当前资源数。最大资源数表示能够管理的资源的总数，当前资源数表示目前可以被使用的资源数量。

 

　　可以使用CreateSeamphore函数来创建一个信号量内核对象，该函数成功返回句柄，失败返回NULL。

HANDLE CreateSemaphore(
   PSECURITY_ATTRIBUTE psa,      // 安全属性结构指针
   LONG lInitialCount,           // 初始可用资源数
   LONG lMaximumCount,           // 最大资源数
   PCTSTR pszName);              // 信号量内核对象的名字（NULL表示匿名）

 

　　在Windows Vista中，提供了一个新的创建信号量内核对象的函数CreateSemaphoreEx，该函数成功返回句柄，失败返回NULL。

HANDLE CreateSemaphoreEx(
   PSECURITY_ATTRIBUTES psa,      // 安全属性结构指针
   LONG lInitialCount,            // 初始可用资源数
   LONG lMaximumCount,       // 最大资源数
   PCTSTR pszName,           // 信号量内核对象的名字（NULL表示匿名）
   DWORD dwFlags,                // 保留型参数，应设置为0
   DWORD dwDesiredAccess);       // 访问限制（参看MSDN）

 

　　同样，可以打开一个指定名称的信号量，使用OpenSemaphore函数：

HANDLE OpenSemaphore(
   DWORD dwDesiredAccess,      // 访问限制（参看MSDN）
   BOOL bInheritHandle,        // 是否允许返回的句柄子进程被继承
   PCTSTR pszName);            // 指定的信号量名称

 

　　假如，作为一个服务器，有一个缓冲区需要用来存放客户的连接请求，还有一个线程池用来处理连接。但是该缓冲区和线程池的大小有限，比如至多只能同时接纳和处理10位客户的连接请求，而当有10位客户请求连接而尚未处理完成的时候，此时一个新客户也试图建立连接，那么这个连接过程应该被推后，直到有一个连接处理完成之后，这个新客户的连接才能被处理。

　　这个时候，可以使用信号量机制来处理线程同步的问题。

　　当服务器初始化的时候，最大资源数为10，没有任何服务器请求连接，可以使用如下代码创建信号量内核对象：

HANDLE hSem  =  CreateSemaphore(NULL,  0 ,  10 , NULL);

 

　　该函数创建了一个信号量内核对象，最大资源数为10，当前可用资源数为0。由于当前可用资源数为0，所以调用WaitForSingleObject等这些等待函数来等待该信号量句柄的线程都会进入等待状态。

　　这些等待函数在内部会查看信号量内核对象的可用资源数，如果该值大于0，则将其减1，线程保持可调度状态，这些比较和设置可用资源数是以原子过程进行的，所以是线程安全的。

　　如果可用资源数等于0，则线程进入等待状态，当一个线程将信号量的可用资源数递增之后，某个或某些等待的线程就可以进入就绪状态。

　　可以调用ReleaseSemaphore函数来让信号量内核对象的可用资源数递增：

 

BOOL ReleaseSemaphore(
   HANDLE hSemaphore,      // 信号量内核对象句柄
   LONG lReleaseCount,        // 可用资源增加个数
   PLONG plPreviousCount);     // 返回上次可用资源的数量，一般传递NULL忽略之

 

　　可惜的是，Windows没有提供一种方法让我们仅仅是查询当前信号量的可用资源数。

 

　　自己总结了一下信号量使用的模型：

HANDLE g_hSem;      // 信号量句柄，在其他线程（比如主线程）中创建
DWORD WINAPI ThreadProc(PVOID pvParam)      // 线程函数
{
      // 等待信号量，如果可用资源大于0，递减资源，线程继续运行，否则线程等待
     WaitForSingleObject(g_hSem, INFINITE);

      // 访问资源

      // 访问完毕，释放，递增可用资源数1个（可以根据需要递增n个）
     ReleaseSemaphore(g_hSem,  1 , NULL);
}

互斥内核对象确保一个线程独占地访问资源。

　　互斥内核对象的行为特征和关键代码段有点类似，但是它是属于内核对象，而关键代码段是用户模式对象，这导致了互斥内核对象的运行速度比关键代码段要低。所以，在考虑线程同步问题的时候，首先考虑用户模式的对象。

　　但是，互斥内核对象可以跨进程使用，当需要实现多进程之间的线程同步，就可用考虑使用互斥内核对象。而这点，关键代码段无能为力。

 

　　在互斥内核对象内部，有以下一些重要的数据：

1、使用计数：表明该互斥内核对象被打开的次数。

2、线程ID

3、递归计数器

　　线程ID表明了该互斥内核对象被哪个线程所拥有，递归计数器表明了这个线程（拥有互斥对象）拥有这个互斥对象的次数。

 

　　互斥对象的使用规则如下

• 如果内部线程ID为0（或者是一个无效的线程ID），该互斥内核对象不被任何线程所拥有，会发出通知信号，即处于“已通知”状态。
• 如果线程ID不为0，而是一个有效的线程ID，那么该互斥内核对象就被这个线程所拥有，而且该互斥内核对象为“未通知”状态。
• 与其他内核对象不同的是，互斥内核对象在操作系统中有着特殊的代码，允许以不正常的规则进行使用。

 

设备的输入输出，即设备I/O，可以分为“同步”和“异步”两种方式。同步的设备I/O，调用的API函数总是等到设备I/O完成才返回。而异步的设备I/O，可以通过多种方法来实现，但是其根本原理是得到“设备I/O的完成通知”。

 

　　本篇主要讨论如何打开和关闭一个设备。注意，这里的设备，不是指像键盘、显示器那种实体。而是一种抽象的概念，指一种与外界通信的对象，可以接受外界的输入，也可以对外界的请求作出响应，称之为设备I/O。这个概念比较抽象，这些设备往往和某个内核对象关联。要打开这些设备，就要创建相关的内核对象。

　　这些设备包括文件、目录、逻辑磁盘驱动、物理磁盘驱动、串行端口、并行端口、邮槽、管道、套接字、控制台（如下表）：

设备	主要用途
文件	保存数据
目录	属性和文件压缩设置
逻辑磁盘驱动	磁盘格式化
物理磁盘驱动	访问分区表
串行端口	串行传输数据
并行端口	多位数据同时传输，主要是将数据传输给打印机
邮槽	一对多传输数据，往往适用于一个网络中的一台计算机向其他机器发送数据
命名管道	一对一传输数据，往往适用于一个网络中的一台计算机向其他机器发送数据
匿名管道	一对一传输数据，适用于简单的数据传输，不适用于网络
套接字	以流或数据报的形式发送数据，适用于一个网络中的通信
控制台	一个文字窗口显示缓冲区

 

　　要使用这些设备，你首先应该打开这些设备。

　　Windows努力隐藏这些设备的差异，所以，很多设备的打开的I/O工作可以通过同一个API函数完成，如下表：

设备	经常用来打开设备的API函数和用法
文件	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName是一个文件路径名。
目录	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName是一个目录名。Windows允许你打开一个目录，通过使用参数FILE_ FLAG_BACKUP_SEMANTICS旗标来呼叫CreateFile函数。打开目录之后，就可以这是目录属性，即文件夹属性，比如正常、隐藏、系统、只读等。
逻辑磁盘驱动	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为字符串“\\.\x:”。 比如要打开C盘，就将其设置为“\\.\C:”。
物理磁盘驱动	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“\\.\PHYSICALDRIVEx”。比如打开第一个物理硬盘扇区：可以这么调用CreateFile函数： CreateFile(TEXT("\\.\PHYSICALDRIVE0"), ...); 这样就可以打开一个物理磁盘驱动，并且可以直接访问硬盘分区表。 但是打开物理磁盘驱动是存在潜在危险的，特别是当错误的写入，会造成物理磁盘内容的破坏。
串行端口	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“COMx”，比如打开COM1串口设备，只要将其设置为“COM1”。
并行端口	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“LPTx”，比如打开LPT1并行端口，将其设置为“LPT1”。
邮槽（服务器端）	CreateMailslot —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“\\.\mailslot\mailslotname”，其中，“mailsoltname”是为邮槽取的名字，可以任意，前面的字符串是固定的。
邮槽（客户端）	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“\\servername\mailslot\mailslotname”，其中，“mailsoltname”是为邮槽取的名字，可以任意，前面的字符串是固定的。
命名管道 （服务器端）	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“\\.\pipe\pipename”，其中，“pipename”是为命名管道取的名字，可以任意，前面的字符串是固定的。
命名管道 （客户端）	CreateFile —— 打开设备的函数。 将参数pszName设置为“\\servername\pipe\pipename”，其中，“pipename”是为命名管道取的名字，可以任意，前面的字符串是固定的。
匿名管道	CreatePipe —— 打开设备的函数。 无论是客户端还是服务器端都以该函数创建或打开匿名管道。
套接字	socket —— 创建一个套接字描述符accept, or AcceptEx.
控制台 Console	CreateConsoleScreenBuffer，GetStdHandle —— 打开设备的函数

 

　　从上表可以发现，很多设备都以CreateFile函数来创建和打开。这个函数以后会讲。

　　打开了设备，你得到了一个设备的句柄，你就可以通过该句柄使用其他函数，来对相关设备进行设置。

　　比如，现在打开了一个串行端口，然后要设置它的传输波特率：

BOOL SetCommConfig(
   HANDLE       hCommDev,
   LPCOMMCONFIG pCC,
   DWORD        dwSize);

 

　　或者，你获得了一个邮槽句柄，可以设置读取数据的等待时间：

BOOL SetMailslotInfo(
   HANDLE hMailslot,
   DWORD  dwReadTimeout);

 

　　最后，不要忘记关闭句柄，从而正确地关闭设备：

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

int  closesocket(SOCKET s);    // 套接字的关闭

 

　　如果你有了一个设备句柄，你可以调查它的设备类型，通过使用GetFileType函数，该函数的返回值表明了它是一个什么类型的设备，可以参考MSDN。

DWORD GetFileType(HANDLE hDevice);

 

　　好了，现在让我们来讨论一下CreateFile函数：

HANDLE CreateFile(
   PCTSTR pszName,      // 指明设备类型或一个特定的设备实体
   DWORD dwDesiredAccess,      // 访问限制
   DWORD dwShareMode,          // 共享方式
   PSECURITY_ATTRIBUTES psa,      // 安全描述结构
   DWORD dwCreationDisposition,   // 创建和打开方式
   DWORD dwFlagsAndAttributes,    // 属性旗标，与缓冲区和文件操作属性有关
   HANDLE hFileTemplate);         // 设备模版，一个设备句柄

 

　　该函数成功，返回句柄，失败返回INVALID_HANDLE_VALUE（值为-1）。

　　如果设置了最后一个参数hFileTemplate，那么就照着这个参数所代表的设备，创建一个属性相同的设备，当然，这个参数所表示的设备要具有“可读”的权限，即有GENERIC_READ访问权限。

　　至于该函数的具体用法，可以参看本书或MSDN。

　　要使用互斥内核对象，首先必须创建它：

HANDLE CreateMutex(
   PSECURITY_ATTRIBUTES psa,   // 安全属性
   BOOL bInitialOwner,         // 互斥对象是否开始就被调用该函数的线程所拥有
   PCTSTR pszName);            // 该互斥内核对象的名字

 

　　Windows Vista中还提供了一个函数用于创建一个互斥内核对象：

HANDLE CreateMutexEx(
   PSECURITY_ATTRIBUTES psa,      // 安全属性
   PCTSTR pszName,        // 该互斥内核对象的名字
   DWORD dwFlags,         // 互斥对象是否开始就被调用该函数的线程所拥有
   DWORD dwDesiredAccess);        // 访问限制

　　第1个函数中的bInitialOwner参数如果为TRUE，则创建的互斥内核对象一开始就被调用这个函数的线程所拥有，它的线程ID被设置为该线程的ID，递归计数器被设置为1。

　　如果传递FALSE给这个参数，则互斥内核对象的线程ID和递归计数器被设置为0，表明该互斥内核对象不被任何线程所拥有，该互斥内核对象处于“已通知”状态。

　　第2个函数的dwFlags的意义和第1个函数的bInitialOwner参数其实是一样的，0就好比FALSE，CREATE_MUTEX_INITIAL_OWNER就相当于TURE。

　　这两个函数成功，返回互斥内核对象的句柄，失败返回NULL。

 

　　你通过“名字”来可以打开一个已经创建了的互斥内核对象：

HANDLE OpenMutex(
   DWORD dwDesiredAccess,      // 访问限制
   BOOL bInheritHandle,        // 是否允许返回的句柄被子进程继承
   PCTSTR pszName);            // 名字

 

　　创建了一个互斥内核对象，得到了它的句柄之后，就可以让它保护资源了。

　　一个线程中（下面用T表示），在你需要访问资源之前，可以先调用“等待函数”，传递该互斥对象（下面用M表示）的句柄该这些等待函数，在等待函数内部，通过句柄查看M的线程ID，如果不为0，表明M处于“未通知”状态，线程T进入等待状态（有例外，下面会讲）。此时系统会记住这个情况，当M被其他线程释放，它的线程ID重新被设置为0的时候，系统会将一个等待在它上面的线程（比如T）的ID设置为M的线程ID，同时将M的递归计数器设置为1，允许该线程（比如T）进入可调度状态。

　　注意，对于互斥对象的线程ID的比较和设置都是以“原子”的形式进行的，所以互斥内核对象是“线程安全”的。

 

　　下面来讲那个例外的情况，这就是互斥内核对象允许以不正常的规则进行使用。也就是在一个互斥内核对象处于“未通知”状态的时候，一个等待在它上面的线程“或许”可以继续运行。

　　比如当前有一个处于“未通知状态”的互斥内核对象M，一个线程T（ID为X）。T调用等待函数等待M，这种情况下，通常T会进入等待状态。但是，系统查看T的ID和M的线程ID相同，都是X的情况下，线程并不会进入等待状态，而是保持在可调度状态。在线程成功等待互斥内核对象之后，互斥内核对象M的递归计数器加1。

　　也就是说，一个互斥内核对象的递归计数器要大于1，就要让线程多次等待相同的互斥内核对象。

 

　　一旦当前线程成功地等待到了一个互斥内核对象之后，该线程就可以独占某些资源，从而可以访问这些共享的资源了。试图访问这些资源的其他线程通过等待相同的互斥对象，就会进入等待状态之中。

　　当前线程如果对资源访问结束，必须释放互斥内核对象，使用ReleaseMutex函数：

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);      // 参数是互斥内核对象句柄

 

　　该函数将互斥内核对象的递归计数减1。如果一个线程多次成功地等待一个互斥内核对象，就要同样以相同的次数调用ReleaseMutex函数，从而递减其递归计数，当互斥内核对象的递归计数减为0后，其线程ID被设置为0，进入“已通知”状态。
　　当这个互斥内核对象进入“已通知”状态之时，系统查看当前是否有线程等待它，如果有，就以公平的原则选择其中一个线程，将这个互斥内核对象的线程ID设置为这个选中的线程的线程ID，互斥对象的递归计数被设置为1。

 

　　综合上面所叙述的，可以总结出，互斥内核对象不同于其他内核对象，就是它有一个“线程所有权”的概念，这就使得互斥内核对象比较特殊。

　　一个线程调用ReleaseMutex函数释放一个互斥对象，这时系统查看互斥对象的线程ID和这个线程的线程ID是否相同，如果相同，互斥对象的递归计数减1；否则ReleaseMutex不做任何工作，返回FALSE。

　　还有一种现象，称做“互斥对象被抛弃”。

　　假设一个互斥内核对象为一个线程所拥有，而这个线程却因为某些特殊的原因在终止，比如调用了ExitThread或TerminateThread函数，但是它在终止之前没有释放这个互斥对象。这个时候，系统能够跟踪拥有互斥内核对象的线程内核对象，系统知道这个互斥对象被一个线程抛弃了，就将互斥对象的线程ID设置为0， 将其递归计数设置为0。然后，系统查看是否有其他线程在等待这个互斥对象，如果有，就公平地选中一个，将互斥对象的线程ID设置为选中的线程的线程ID，这和前面的论述是一样的，差别是等待函数返回的值是WAIT_ABANDONED，而不是WAIT_OBJECT_0。这个时候，访问资源是不合适的，因为不知道资源处于何种状态。

 

本来不打算写这篇的，但是文件的重要性大家都知道。在设备I/O中，有一种设备叫文件设备，这是一个抽象的概念，就把它理解为文件就行了。

　　文件设备，可以通过CreateFile函数打开，得到一个文件对象句柄。

 

　　在文件中，有两个比较重要的属性：

1、文件大小：在32位中最大为4GB，64位中可以达到16EB。

2、文件读写指针：这个指针表明读写位置，大小范围可以超出文件的大小。

 

　　先讨论文件的大小。

　　要得到文件的大小，可以使用GetFileSizeEx函数：

BOOL GetFileSizeEx(
   HANDLE         hFile,      // 文件对象句柄
   PLARGE_INTEGER pliFileSize);   // LARGE_INTEGER联合的指针，返回大小

 

　　这个函数接受一个LARGE_INTEGER联合的指针，用来返回文件大小，这个结构可以表示64位值：

typedef union _LARGE_INTEGER {
    struct  {
      DWORD LowPart;     //  低32位值
      LONG HighPart;        //  高32位值

   };
   LONGLONG QuadPart;    //  64位值得
} LARGE_INTEGER,  * PLARGE_INTEGER;

 

　　从这个定义可以看出，该联合可以用QuadPart表示一个64位值，也可以差分成两个32位值。这个联合有一个无符号数版本，叫做ULAGER_INTEGER联合，对应的3个成员都是保存的无符号数。

 

　　还有一个函数可以得到一个文件的大小：

DWORD GetCompressedFileSize(
   PCTSTR pszFileName,           // 文件路径名
   PDWORD pdwFileSizeHigh);  // 文件大小如果大于4GB，高32位值由该参数返回

 

　　这个函数接受一个文件的路径名称，返回文件大小的低32位值，高32位值由参数pdwFileSizeHigh返回。与GetFileSizeEx不同的是，该函数返回一个文件的物理大小，而GetFileSizeEx返回文件的逻辑大小。

　　比如一个文件大小为100KB，它被压缩为85KB，如果使用GetFileSizeEx，则返回100KB，使用GetCompressedFileSize则返回85KB。

　　与GetFileSizeEx不同的是，该函数接受一个字符串，指明文件路径，这就可以直接查询某个文件大小，而不要先打开它获得它的句柄。

　　可以如下使用该函数：

ULARGE_INTEGER ulFileSize;      // 与LARGE_INTEGER联合类似，保存无符号数
ulFileSize.LowPart  =  GetCompressedFileSize(TEXT( " SomeFile.dat " ),
    & ulFileSize.HighPart);      // 取得当前目录下的SomeFile.dat文件大小

　　这样，64位的文件大小存储在ulFileSize.QuadPart中。

 

　　讨论完了文件的大小，下面来讨论文件读写指针。

　　CreateFile函数创建或打开了一个文件内核对象，该内核对象中管理着一个“文件读写指针”。该指针指明了一个64位的偏移量。初始情况下，该指针设置为0，即你读取或写入数据的时候从文件开始处进行，即从偏移量为0的地方开始。每次读取或写入N字节的数据，系统更新该读写指针，使偏移量加上N个字节。比如下面代码反映了读取文件前100个字节的数据：

BYTE pbFirst[ 50 ], pbSecond[ 50 ];
DWORD dwNumBytes;
HANDLE hFile  =  CreateFile(TEXT( " MyFile.dat " ), ...);  // 指针初始化为0
ReadFile(hFile, pbFirst,  50 ,  & dwNumBytes, NULL);     // 读取第0～49字节
ReadFile(hFile, pbSecond,  50 ,  & dwNumBytes, NULL); // 读取第50～99字节

 

　　需要注意的是，一个文件对象句柄对应一个读写指针，如果一个文件被打开多次，那么就有多个文件对象，每个文件对象管理着一个读写指针，这些指针相互之间不影响。比如下面的代码：

BYTE pb[ 10 ];
DWORD dwNumBytes;
HANDLE hFile1  =  CreateFile(TEXT( " MyFile.dat " ), ...);  // 指针初始化为0
HANDLE hFile2  =  CreateFile(TEXT( " MyFile.dat " ), ...);  // 指针初始化为0
ReadFile(hFile1, pb,  10 ,  & dwNumBytes, NULL);   // 读取第0～9字节
ReadFile(hFile2, pb,  10 ,  & dwNumBytes, NULL);   // 也是读取第0～9字节

 

　　上面这段代码，hFile1和hFile2是同一个文件的两个不同的文件内核对象的句柄，这两个内核对象管理着两个不同文件指针，所以改变其中一个的读写指针，不会影响另一个。

　　下面这段代码更能说明问题：

BYTE pb[ 10 ];
DWORD dwNumBytes;
HANDLE hFile1  =  CreateFile(TEXT( " MyFile.dat " ), ...);  // 读写指针初始化为0
HANDLE hFile2;      // 另一个文件句柄

// 将本进程内hFile1句柄值复制给本进程中的hFile2
DuplicateHandle(
   GetCurrentProcess(), hFile1,
   GetCurrentProcess(),  & hFile2,
    0 , FALSE, DUPLICATE_SAME_ACCESS);
ReadFile(hFile1, pb,  10 ,  & dwNumBytes, NULL);    // 读取第0～9字节
ReadFile(hFile2, pb,  10 ,  & dwNumBytes, NULL);    // 读取第10～19字节

 

　　上面这段代码，使用DuplicateHandle函数复制句柄，使得两个句柄hFile1和hFile2共用同一个文件内核对象，因此读写指针也是共用的。

 

　　可以使用SetFilePointerEx函数来定位文件读写指针：

BOOL SetFilePointerEx(
   HANDLE         hFile,      // 文件内核对象句柄
   LARGE_INTEGER  liDistanceToMove,      // 64位数，移动字节数
   PLARGE_INTEGER pliNewFilePointer,     // 返回新的文件读写指针位置
   DWORD          dwMoveMethod);         // 移动方式

　　该函数中dwMoveMethod告诉系统如何移动。FILE_BEGIN，表示从文件头开始移动；FILE_END，表示从文件尾往前移动；FILE_CURRENT，表示从当前读写指针位置移动。移动的位移量在第2个参数liDistaceToMove中。

 

　　有几点需要注意

• 将文件读写指针的位置设置为超过文件大小范围是合法的。这么做不会使得文件大小变大，除非调用函数SetEndOfFile。
• 当打开文件使用函数CreateFile时，该函数的dwFlagsAndAttributes参数中包括FILE_FLAG_NO_BUFFERING，文件读写指针只能被设置为硬盘扇区的单位大小。
• 没有GetFilePointerEx函数来取得当前文件指针位置，可以调用SetFilePointerEx函数来得到其位置，要把第二个参数设置为0，如下代码：

LARGE_INTEGER liCurrentPosition  =  {  0  };
SetFilePointerEx(hFile, liCurrentPosition,
                         & liCurrentPosition,FILE_CURRENT);

 

　　当文件被关闭的时候，系统会在文件上设置一个结束位置，以确定该文件的大小。当然，你也可以自己设置文件的结束位置，以此来改变文件的大小。使用SetEndOfFile函数：

BOOL SetEndOfFile(HANDLE hFile);

 

　　该文件在当前的文件读写指针处设置文件的结束标志，来截断或扩展文件的大小。比如，你想设置一个文件的大小为1024字节的话，可以通过以下代码实现：

HANDLE hFile  =  CreateFile(...);
LARGE_INTEGER liDistanceToMove;
liDistanceToMove.QuadPart  =   1024 ;
// 设置文件指针
SetFilePointerEx(hFile, liDistanceToMove, NULL, FILE_BEGIN);
SetEndOfFile(hFile);      // 在文件指针处设置结束标志
CloseHandle(hFile);

前面曾经讲过，设备I/O的方式有两种：同步和异步。本篇介绍一下同步设备I/O。主要涉及到两个函数：ReadFile和WriteFile。

　　不要被这两个函数的名称迷惑，不仅可以将这两个作用于文件，也可以作用于其他设备：比如管道、邮槽等。

 

　　最简单的设备I/O，可以通过ReadFile和WriteFile这两个函数来实现：

BOOL ReadFile(
   HANDLE      hFile,          // 设备对象句柄
   PVOID       pvBuffer,       // 读取缓冲区
   DWORD       nNumBytesToRead,      // 读取的字节数
   PDWORD      pdwNumBytes,          // 返回实际读取的字节数
   OVERLAPPED *  pOverlapped);         // 重叠结构指针，仅在异步方式有用

BOOL WriteFile(
   HANDLE      hFile,
   CONST VOID   * pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToWrite,
   PDWORD      pdwNumBytes,      // 返回实际写入的字节数
   OVERLAPPED *  pOverlapped);

 

　　在同步方式下使用这2个函数进行设备I/O，在同步模式下，两个函数的最后一个参数pOverlapped都要设置为NULL。另外，必须要注意这一点：就是在用CreateFile创建或打开设备之时，其FLAG参数不能包括FLAG_FILE_OVERLAPPED，否则系统认为你想要异步地实现设备I/O。

　　另外，ReadFile只能读取这些设备，即在使用CreateFile创建或打开设备的时候，该函数的FLAG参数中包括GENERIC_READ。而WriteFile只能写入这些设备，即使用CreateFile函数的时候，FLAG参数包括GENERIC_WRITE。

 

　　邮槽、管道、文件、串行端口等设备是有自己的高速缓存的。如果在CreateFile函数的FLAG参数中没有包括FILE_FLAG_NO_BUFFERING，也就是可以将写入的数据暂存在缓冲区中，那么可以通过FlushFileBuffers来强行将暂存在与设备有关的缓冲区中的全部数据写入到设备中。

BOOL FlushFileBuffers(HANDLE hFile);

 

　　同步方式的设备I/O实现简单，但是缺点也是明显的，就是会阻碍有关线程中的其他与设备I/O无关的操作。因为设备I/O函数直到设备I/O请求结束才返回，如果数据量大，很可能会阻碍其他无关的操作。

　　为了解决这个问题，你应该尽量使用异步的设备I/O。但是可惜的是，Windows API中，没有为CreaetFile这个函数提供任何异步的方式来实现。Windows Vista提供了另一种方法：中途取消同步设备I/O。可以通过使用函数CancelSynchronousIo来取消一个线程之内的正在进行的同步设备I/O操作。

BOOL CancelSynchronousIo(HANDLE hThread);      // 参数是线程句柄

 

　　该函数接受一个线程句柄，该句柄是一个正在等待同步设备I/O操作完成的线程的句柄。该句柄在创建或打开的时候，必须具有THREAD_TERMINATE操作权限。如果你调用CreateThread或_beginthreadex函数来创建线程，那么返回的线程句柄就包含THREAD_TERMINATED的操作权限。如果使用OpenThread函数来获得一个已创建的线程的句柄，那么就传递THREAD_TERMINATED给dwDesiredAccess参数（第1个参数）。如果没有设置该权限，那么CancelSynchronousIo返回FALSE，调用GetLastError返回ERROR_ACCESS_DENIED（访问拒绝错误）。

　　如果线程已经结束了等待设备I/O，那么再调用CancelSynchronousIo函数会返回TRUE，而不是FLASE，调用GetLastError则返回ERROR_OPERATION_ABORTED（操作失败错误）。

　　如果线程并不是等待在设备I/O的返回上，那么调用该函数会返回FALSE，随后调用GetLastError会返回ERROR_NO_FOUND（未找到的错误）。

 

　异步设备I/O适用于大数据量和高性能的场合，比如服务器。

　　要使用异步设备I/O，在调用CreateFile来打开或创建一个设备的时候，让参数dwFlagsAndAttributes包括FILE_FALG_OVERLAPPED，这意味着想让打开的设备可以被异步访问。

　　为了发送一个I/O请求给一个设备，也就是让一个I/O请求进入I/O队列，你可以使用ReadFile和WriteFile这两个函数：

BOOL ReadFile(
   HANDLE      hFile,
   PVOID       pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToRead,
   PDWORD      pdwNumBytes,
   OVERLAPPED *  pOverlapped);

BOOL WriteFile(
   HANDLE      hFile,
   CONST VOID   * pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToWrite,
   PDWORD      pdwNumBytes,
   OVERLAPPED *  pOverlapped);

 

　　当这两个函数被呼叫，系统通过第一个参数hFile，来查看该句柄指明的设备在打开的时候是否使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED，如果使用了，这两个函数执行异步设备I/O，反之，则执行同步设备I/O。当使用异步I/O方式的时候，在调用这两个函数的时候，可以将NULL传递给pdwNumBytes参数，因为不知道何时设备I/O完成，因此使用这个参数没有多大意义。

　　注意最后一个参数，是一个OVERLAPPED结构的指针：

typedef  struct  _OVERLAPPED {
   DWORD  Internal;      //  错误代码（出口参数，返回）
   DWORD  InternalHigh;  //  传输的数据大小，以字节为单位（出口参数，返回）
   DWORD  Offset;        //  低32位偏移量（入口参数，输入）
   DWORD  OffsetHigh;    //  高32位偏移量（入口参数，输入）
   HANDLE hEvent;        //  事件内核对象句柄（入口参数，输入）
} OVERLAPPED,  * LPOVERLAPPED;

 

　　该结构包含5个成员，其中的3个——Offset、OffsetHigh、hEvent应该在调用ReadFile和WriteFile之前被初始化，另外的2个——Internal、InternalHigh会在I/O完成的时候被设备驱动程序所设置，下面细述一下：

• Offset、OffsetHigh —— 在使用异步设备I/O来操纵“文件设备”的时候，文件读写指针被忽略，此时I/O的偏移量由OVERLAPPED结构中的Offset和OffsetHigh决定。另外，在“非文件设备”中，这两个成员不会被忽略，一般必须要设置为0。
• hEvent —— 一个事件内核对象句柄，可以有多种使用方法，后面会讲到。
• Internal —— 保存I/O错误码，当你发送一个I/O请求的时候，该参数被设置为STATUS_PENDING，指明没有错误发生，因为操作还没有开始。你可以使用HasOverlappedIoCompleted宏来查看一个异步设备I/O是否完成，该结构接受一个OVERLAPPED结构指针，如果I/O请求完成返回TRUE。如果I/O请求仍然没有开始，返回FALSE。
• InternalHigh —— 异步I/O请求完成的时候，该成员里保存了传送数据量的字节数。

　　当异步I/O请求完成之后，你可以接受到一个OVERLAPPED结构的指针。一般可以让一个C++类从OVERLAPPED结构派生，类中加入一些其他信息，使得更容易处理。然后当使用ReadFile和WriteFile函数的时候，可以传递这个C++类对象的指针，当I/O完成之后，接受该结构的时候，可以将其转换为C++类对象，不但可以获得其5个成员，还可以获得类中的其他信息。

 

　　使用异步设备I/O的时候，要注意以下三点：

　　1、设备驱动程序不一定会按照一个“先进先出”（FIFO）的顺序来处理设备I/O请求，因此如下编码不会保证先读后写：

OVERLAPPED o1  =  {  0  };
OVERLAPPED o2  =  {  0  };
BYTE bBuffer[ 100 ];
ReadFile (hFile, bBuffer,  100 , NULL,  & o1);    // 读
WriteFile(hFile, bBuffer,  100 , NULL,  & o2);    // 写

 

　　2、以异步的方式进行I/O请求的是，驱动程序可能会选择同步的方式。当你读取一个文件的时候，如果系统发现读取的数据在cache中，且数据有效，那么该I/O请求就不需要驱动程序了，而是直接将cache中的数据复制到你的缓冲区中。驱动在某些操作上一直使用同步方式，比如在NTFS格式上的文件压缩，扩展文件长度，添加文件信息等。

　　这个时候，如果ReadFile和WriteFile返回非0值，则表明它以同步方式进行。如果返回FLASE，说明发生了一个错误，这个时候可以通过GetLastError来取得信息，如果返回ERROR_IO_PENDING，则说明I/O请求成功提交，但没有完成。

 

　　3、数据缓冲区和OVERLAPPED结构在异步I/O请求完成之前不能被移动或释放。当设备驱动准备处理你的I/O请求的时候，它将数据传送到pvBuffer参数对应的地址上去，并访问OVERLAPPED结构中的Offset等成员。当I/O请求完成之后，设备驱动更新OVERLAPPED结果中的Internal和InternalHigh成员。因此，不能在I/O请求完成之前移动或释放数据缓冲区和OVERLAPPED结构，否则，内存数据会被破坏，而且在每次调用ReadFile或WriteFile的时候，都必须分配一个单独的OVERLAPPED结构。

　　比如，下面的代码是有BUG的：

VOID ReadData(HANDLE hFile)
{
   OVERLAPPED o  =  {  0  };
   BYTE b[ 100 ];
   ReadFile(hFile, b,  100 , NULL,  & o);
}   // 此时缓冲区b和OVERLAPPED结构o都被释放

 

　　你可以将一个设备I/O请求取消排队，即撤消该请求。可以有如下方法：

 

　　1、在一个线程中调用CancelIo函数，可以取消该线程发送给指定设备有关的所有I/O请求，除了指定的设备是“I/O完成端口”。

BOOL CancelIo(HANDLE hFile);      // 参数是设备对象句柄

 

　　2、取消与一个设备有关的所有I/O请求，关闭这个设备句柄即可。

 

　　3、当一个线程结束，系统自动取消该线程发送的所有I/O请求，除了发送给“I/O完成端口的”I/O请求。

 

　　4、如果想取消某一个特定的I/O请求，可以使用CancelIoEx函数，传递一个OVERLAPPED结构指针给它：

BOOL CancelIoEx(HANDLE hFile, LPOVERLAPPED pOverlapped);

 

　　该函数可以跨线程使用，也就是在T1线程内发送的I/O请求，可以在T2线程内通过该函数结束之。因为每个I/O请求都需要一个唯一的OVERLAPPED结构，所以该OVERLAPPED结构就标识了一个I/O请求。如果传递NULL给CancelIoEx函数的第2个参数，那么就会取消与hFile对应的设备的所有I/O请求。

 

　　取消一个I/O请求，该I/O请求会结束，同时错误码被设置为ERROR_OPERATION_ABORTED。

 

上一篇，讨论了如何发送I/O请求。在异步的设备I/O请求方式下，要考虑的问题就是当I/O请求完成之后，驱动程序如何通知你的应用程序。本篇主要讨论获得通知的方法。

 

　　Windows 提供了4种不同的技术方法来得到I/O完成的通知。

技术	概要
通知一个设备内核对象	当一个设备同时有多个I/O请求的时候，该方法不适用。 允许一个线程发送一个I/O请求，另一个线程处理之。
通知一个事件内核对象	允许一个设备同时有多个I/O请求。 允许一个线程发送一个I/O请求，另一个线程处理之。
告警I/O	允许一个设备同时有多个I/O请求。 必须在同一个线程中发送并处理同一个I/O请求。
I/O完成端口	允许一个设备同时有多个I/O请求。 允许一个线程发送一个I/O请求，另一个线程处理之。 该方法伸缩性好，而且性能高。

 

　　本篇主要讨论前3种。

 

通知一个设备内核对象

　　在Windows中，一个设备内核对象可以处于“已通知”或“未通知”状态。ReadFile和WriteFile在发送I/O请求之前让指定的设备内核对象处于“未通知”状态。当设备驱动程序完成了I/O请求，驱动程序将设备内核对象设置为“已通知”状态。

　　一个线程可以查看一个异步的I/O请求是否完成，通过等待函数即可实现：WaitForSingleObject或WaitForMultipleObject等。这就意味着，这种实现的方式不是完完全全的“异步”，最终有点“同步”的味道，因为这些等待函数可能会导致线程进入阻塞状态。

　　可以如下地编码来使用这种方法：

 

// 创建或打开设备内核对象，注意使用FILE_FLAG_OVERLAPPED旗标
HANDLE hFile  =  CreateFile(..., FILE_FLAG_OVERLAPPED, ...);
BYTE bBuffer[ 100 ];      // I/O缓冲区
OVERLAPPED o  =  {  0  };      // 重叠结构，不要忘记初始化
o.Offset  =   345 ;      // 偏移量
BOOL bReadDone  =  ReadFile(hFile, bBuffer,  100 , NULL,  & o);    // 读取数据
DWORD dwError  =  GetLastError();

// ReadFile返回FLASE，但是错误码dwError表明I/O即将开始
if  ( ! bReadDone  &&  (dwError  ==  ERROR_IO_PENDING))
{
      // 等待I/O请求完成
     WaitForSingleObject(hFile, INFINITE);
     bReadDone  =  TRUE;
}
if  (bReadDone)
{
      //  操作成功，可以查看OVERLAPPED结构中的各个字段和缓冲区中的数据
      //  o.Internal 包含了I/O错误码
      //  o.InternalHigh 包含了I/O传输字节数
      //  缓冲区包含了读取的数据
}
else
{
      //  错误发生，bReadDone为FLASE，且错误码dwError指明一个错误
}

 

　　这种方法是十分简单的，实现起来十分容易，但是有一个明显的缺点，就是无法处理多个I/O请求。因为一旦一个I/O请求完成，等待函数就会返回，无法识别是哪个I/O请求完成了。

 

通知一个事件内核对象

　　这种方法可以处理多个同时的I/O请求。

　　记得OVERLAPPED结构中有一个hEvent成员吧，该成员是一个事件内核对象。使用这种方法，你必须使用CreateEvent函数来创建一个事件内核对象，并初始化那个hEvent成员。当一个异步I/O请求完成设备驱动程序查看OVERLAPPED中的hEvent是否为NULL，如果不是，驱动程序通过SetEvent通知该事件内核对象，同时也使得设备内核对象进入“已通知”状态。但是，你应该等待在该事件内核对象上。

　　你可以让Windows不通知“文件内核对象”，这样可以少许提高一点性能，通过呼叫函数SetFileCompletionNotificationModes即可，传递一个设备内核对象句柄和FILE_SKIP_SET_EVENT_ON_HANDLE旗标：

BOOL SetFileCompletionNotificationModes(HANDLE hFile, UCHAR uFlags);

　　为了处理多个I/O请求，你必须为每个I/O请求创建一个独立的事件内核对象，并将之初始化OVERLAPPED结构中的hEvent。然后可以通过WaitForMultipleObject来等待这些事件内核对象。这种方法可以实现一个设备上的多个I/O请求的处理。可以如下编码：

 

// 创建或打开设备，注意使用FILE_FLAG_OVERLAPPED
HANDLE hFile  =  CreateFile(..., FILE_FLAG_OVERLAPPED, ...);
BYTE bReadBuffer[ 10 ];      // 读缓冲区
OVERLAPPED oRead  =  {  0  };      // 定义OVERLAPPED结构，并初始化之
oRead.Offset  =   0 ;
oRead.hEvent  =  CreateEvent(...);      // 创建事件内核对象，与读操作相关
ReadFile(hFile, bReadBuffer,  10 , NULL,  & oRead);

BYTE bWriteBuffer[ 10 ]  =  {  0 ,  1 ,  2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6 ,  7 ,  8 ,  9  };
OVERLAPPED oWrite  =  {  0  };
oWrite.Offset  =   10 ;
oWrite.hEvent  =  CreateEvent(...);      // 另一个事件内核对象，与写操作相关
WriteFile(hFile, bWriteBuffer, _countof(bWriteBuffer), NULL,  & oWrite);

// 可在此执行其他操作
//......

HANDLE h[ 2 ];
h[ 0 ]  =  oRead.hEvent;      // 与读相关的事件对象
h[ 1 ]  =  oWrite.hEvent;     // 与写相关的事件对象
DWORD dw  =  WaitForMultipleObjects( 2 , h, FALSE, INFINITE);      // 等待
switch  (dw – WAIT_OBJECT_0)
{
      case   0 :    // 读操作完成
           break ;

      case   1 :    // 写操作完成
           break ;
}

 

　　当然，也可以把上面代码拆分成两个线程执行，上面半段为发送I/O请求的放在一个线程中，下面处理I/O请求完成的放在另一个线程中。

 

　　在I/O请求完成之后，收到通知之后，可以得到有关OVERLAPPED结构的信息，通过函数GetOverlappedResult：

BOOL GetOverlappedResult(
   HANDLE      hFile,         // 设备对象句柄
   OVERLAPPED *  pOverlapped,   // OVERLAPPED结构指针，返回OVERLAPPED
   PDWORD      pdwNumBytes,   // 返回传输的字节数
   BOOL        bWait);        // 是否等到I/O结束才返回

 

告警I/O

　　当一个线程被创建的时候，系统也创建一个与该线程关联的队列，这个队列称为“异步过程调用”（APC）队列。当发送一个I/O请求的时候，你可以告诉驱动程序在APC队列中加入一个记录。当I/O请求完成之后，如果线程处于“待命状态”，则该记录中的回调函数可以被调用。

　　让I/O请求完成的通知进入线程的APC队列，即在APC队列中添加一个I/O请求完成通知的记录，可以使用如下两个函数：

BOOL ReadFileEx(
   HANDLE      hFile,         // 设备对象句柄
   PVOID       pvBuffer,      // 数据缓冲区
   DWORD       nNumBytesToRead,   // 预期传输的数据
   OVERLAPPED *  pOverlapped,       // OVERLAPPED结构指针
   LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE pfnCompletionRoutine); // 回调函数指针

 

BOOL WriteFileEx(
   HANDLE      hFile,
   CONST VOID   * pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToWrite,
   OVERLAPPED *  pOverlapped,
   LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE pfnCompletionRoutine);

　　注意一下函数的最后一个参数pfnCompletionRoutine，是一个函数指针，接受一个回调函数，这个函数就是被记录到APC队列的函数，函数头必须按如下格式书写：

VOID WINAPI CompletionRoutine(      // 函数名可以任意
   DWORD       dwError,      // 错误码
   DWORD       dwNumBytes,   // 传输的数据
   OVERLAPPED *  po);          // OVERLAPPED结构

 

　　当使用ReadFileEx和WriteFileEx函数的时候，传递回调函数的地址，当驱动程序完成I/O请求之后，它在线程APC队列中添加一个记录，这个记录包含这个回调函数的地址和起初发送I/O请求时候的OVERLAPPED结构地址。

　　当线程进入“待命状态”，系统检测线程APC队列，然后调用回调函数，并设置其3个参数。

　　当I/O请求完成，系统不会马上调用记录在APC队列中的回调函数，因为线程可能没有进入“待命状态”。为了调用回调函数，你必须让线程进入“待命状态”，可以通过一些带“Ex”的等待函数来完成：

 

DWORD SleepEx(
   DWORD dwMilliseconds,
   BOOL  bAlertable);

DWORD WaitForSingleObjectEx(
   HANDLE hObject,
   DWORD  dwMilliseconds,
   BOOL   bAlertable);

DWORD WaitForMultipleObjectsEx(
   DWORD   cObjects,
   CONST HANDLE *  phObjects,
   BOOL    bWaitAll,
   DWORD   dwMilliseconds,
   BOOL    bAlertable);

BOOL SignalObjectAndWait(
   HANDLE hObjectToSignal,
   HANDLE hObjectToWaitOn,
   DWORD  dwMilliseconds,
   BOOL   bAlertable);

BOOL GetQueuedCompletionStatusEx(
   HANDLE hCompPort,
   LPOVERLAPPED_ENTRY pCompPortEntries,
   ULONG ulCount,
   PULONG pulNumEntriesRemoved,
   DWORD dwMilliseconds,
   BOOL bAlertable);

DWORD MsgWaitForMultipleObjectsEx(
   DWORD   nCount,
   CONST HANDLE *  pHandles,
   DWORD   dwMilliseconds,
   DWORD   dwWakeMask,
   DWORD   dwFlags);      // 使用MWMO_ALERTABLE使线程进入“待命状态”

 

　　除了MsgWaitForMultipleObjectEx函数之外，上面其余5个函数的最后一个参数bAlertalbe，指明了是否要线程进入“待命状态”，如果需要，请传递TRUE。

　　当你调用上面这些等待函数，并让线程进入“待命状态”，系统首先查看线程的APC队列，如果至少有一个记录在APC队列中，系统不会让你的线程进入阻塞状态，而是调用回调函数，并提供其3个参数。当回调函数返回给系统，系统再次检查APC队列中的记录，如果存在，继续调用回调函数。否则，回调函数返回给用户（即普通的返回）。

　　注意，如果APC队列中存在记录，那么调用上述等待函数，不会让你的线程进入阻塞状态。只有当APC队列中没有记录，调用这些函数的时候才会让线程进入阻塞状态，直到等待的内核对象为“已通知”状态或APC队列中出现记录。由于线程处于“待命状态”，因此一点APC队列中出现一个记录，那么系统唤醒你的线程，呼叫回调函数，清空APC队列，回调函数返回，线程继续执行。

　　这6个等待函数返回的值说明了它们是因为什么原因而返回的。如果返回WAIT_IO_COMPLETION，那么说明了你的线程继续执行，因为至少一个APC记录被处理。如果返回其他的值，那么说明这些等待函数等待的内核对象为“已通知”状态（也可能是互斥内核对象被抛弃）或者等待超时。

 

　　还有需要注意的是，系统调用APC回调函数，不是按FIFO的顺序，而是随意的。注意如下代码：

hFile  =  CreateFile(..., FILE_FLAG_OVERLAPPED, ...);
ReadFileEx(hFile, ..., ReadRoutine1);    // 第一次读，回调函数ReadRoutine1
WriteFileEx(hFile, ..., WriteRoutine1);  // 第一次写，回调函数WriteRoutine1
ReadFileEx(hFile, ..., ReadRoutine2);    // 第二次读，回调函数ReadRoutine2
SomeFunc();    // 其他一些操作
SleepEx(INFINITE, TRUE);      // 等待，线程进入“待命状态”

 

　　线程发起了3次I/O请求，并给出了3个回调函数ReadRoutine1、WriteRoutine1、ReadRoutine2。然后线程执行SomeFunc函数，执行完成之后进入无限等待，当I/O请求结束，会调用3个APC队列中的回调函数。

　　需要注意的是，如果3个I/O请求都在SomeFunc函数执行的时候完成，那么回调函数的调用顺序可能不是ReadRountine1、WriteRoutine1、ReadRoutine2，这个顺序是任意的。

 

　　Windows提供了一个函数可以手动在一个线程的APC队列加入一个记录（即加入一个回调函数）：

DWORD QueueUserAPC(
   PAPCFUNC  pfnAPC,      // APC回调函数指针
   HANDLE    hThread,     // 线程对象句柄
   ULONG_PTR dwData);   // 传递给参数pfnAPC所对应的回调函数的参数

 

　　其中第1个参数是一个函数指针，是一个回调函数，被记录到线程的APC队列，其函数头格式如下：

VOID WINAPI APCFunc(ULONG_PTR dwParam);

 

　　QueueUserAPC函数的第2个参数指明了你想要设置的哪个线程的APC队列。第3个参数dwData就是传递给回调函数APCFunc的参数。QueueUserAPC可以让你的线程摆脱阻塞状态，此时上述等待函数返回码为WAIT_IO_COMPLETION。

 

　　最后要讲的就是告警I/O的缺点：

• 告警I/O的回调函数所提供的参数较少，因此处理上下文内容只能通过全局变量来实现。
• 使用告警I/O，意味着发送I/O请求和处理I/O完成通知只能放在同一个线程中，如果发送多个I/O请求，该线程就不得不处理每个I/O完成通知，其他线程则会比较 空闲，这样会造成不平衡。

上一篇讲了3种接受异步I/O请求完成的通知的方法，分别是：通知一个设备内核对象、通知一个事件内核对象、告警I/O。

　　本篇主要讲另一种接受异步I/O请求的方法——I/O完成端口。这是性能最高，且扩充性最好的方法。但是实现比较复杂。

 

 

 

　　介绍I/O完成端口之前介绍两种服务器线程模型：

 

• 连续模型：单个线程等待一个客户的请求，一旦有一个客户发出请求，该线程唤醒然后处理客户的请求。
• 并发模型：单个线程等待一个客户的请求，一旦有一个客户发出请求，该线程创建另一个线程来处理请求。在新创建的线程处理请求的同时，原来等待请求的线程通过循环继续等待另一个客户的请求。当处理请求的线程处理完毕之后，自动销毁。

　　连续模型最大的缺点就是无法同时处理多个请求。它只能等待、处理、等待、处理……如此交替进行。当有2个请求同时到来时，只能处理其中之一，第2个请求必须等待直到第1个请求处理完毕。Ping服务器就是典型的连续模型。

 

　　并发模型，让一个线程专门地等待请求，该线程可以为每一个请求创建一个线程来处理之。其优点是等待请求的线程所做的工作很少，默认状态为阻塞状态。当一个客户请求到来的时候，该线程被唤醒，然后创建一个新的线程来处理这个请求，然后这个线程继续等待另一个请求。这样，当有多个客户请求同时到来的时候，它们可以几乎同时被处理。但是当客户请求过多，那么就会存在太多的处理线程，这些线程都是可以被调度的，那么就会出现很多次的“线程转换”，这样，Windows内核会花费大量的时间在“线程转换”这个工作上，从而浪费了大量的时间。Windows为了解决这个问题，提供了“I/O完成端口”内核对象。

 

 

 

　　不妨设想一下，如果事先创建了一些线程，让这些线程处于等待状态，然后将所有用户的请求都投递到一个消息队列中，然后这些线程被唤醒，逐一地从消息队列中取出请求并进行处理，就可以避免为每个用户开辟线程，节省资源，也提高了线程利用率。其实I/O完成端口就是基于这样思想的产物。感觉就是一个“消息队列”，与本身的名字“I/O完成端口”没有很大的联系。

 

 

 

创建I/O完成端口

　　I/O完成端口可以称为是最复杂的内核对象，可以使用CreateIoCompletionPort创建一个I/O完成端口内核对象：

 

HANDLE CreateIoCompletionPort(
   HANDLE    hFile,           // 设备句柄
   HANDLE    hExistingCompletionPort,  // 已经创建的I/O完成端口对象句柄
   ULONG_PTR CompletionKey,            // 一个完成Key，相当于完成标号
   DWORD     dwNumberOfConcurrentThreads);  // 允许同时运行的线程个数

 

 

　　乍看一下这个函数，很难理解。其实，这个函数有两个功能：创建I/O完成端口，将一个I/O完成端口与一个设备关联起来。因此，可以将该函数拆开。下面的函数CreateNewCompletionPort用来创建一个I/O完成端口：

 

HANDLE CreateNewCompletionPort(DWORD dwNumberOfConcurrentThreads)
{
      return (CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL,  0 ,
          dwNumberOfConcurrentThreads));
}

 

 

　　这个函数接受一个参数，并在内部调用CreateIoCompletionPort，将其前3个参数设置为INVALID_HANDLE_VLAUE，NULL，0。并保留最后一个参数给用户，如此便创建了一个I/O完成端口，参数dwNumberOfConcurrentThreads告诉I/O完成端口当前允许有多少个线程可以执行，如果传递0，则表示允许执行的线程个数没有限制。这个参数就是为了防止“线程切换”过于频繁。你可以动态地增加它的值，这样来测试一个合理的可运行线程数，以达到性能最佳。

 

 

 

关联I/O完成端口与设备

　　当你创建了一个I/O完成端口，内核实际上创建了5个数据结构：

 

1、设备列表：与创建的I/O完成端口关联的设备

 

2、I/O请求完成队列（FIFO）：

 

3、等待线程队列（LIFO）

 

4、释放线程列表

 

5、暂停线程列表

 

 

 

　　第1个数据结构：设备列表指明了与这个I/O完成端口关联的设备，可以是一个设备，也可以是多个设备。你可以通过CreateIoCompletionPort函数关联设备和I/O完成端口，也可以将该函数拆开，使用如下函数：

 

 

BOOL AssociateDeviceWithCompletionPort(
     HANDLE hCompletionPort,      //  I/O完成端口内核对象句柄
     HANDLE hDevice,                  //  设备内核对象句柄
     DWORD dwCompletionKey)   //  完成Key
{
     HANDLE h  =  CreateIoCompletionPort(hDevice, hCompletionPort, 
                        dwCompletionKey,  0 );
      return  (h  ==  hCompletionPort);
}

 

 

 

　　这个函数提供了一个I/O完成端口句柄和一个设备句柄，并将两者关联起来。其中最后一个参数，是一个完成Key，在处理I/O请求完成的通知的时候，这个值才有用，它只是对你有意义，系统不会注意它。

 

　　每次调用这个，系统在I/O完成端口的“设备列表”这个数据结构中添加了一个记录，这个记录指明了与这个I/O完成端口相关联的设备。

 

　　由于CreateIoCompletionPort函数比较复杂，因此建议将其拆开使用，或者也可以同时创建I/O完成端口并关联设备，如下编码：

 

 

#define  CK_FILE 1
HANDLE hFile  =  Create(...);
//  创建I/O完成端口并将hFile最代表的设备关联起来，允许可运行线程数为2
HANDLE hCompletionPort  =  CreateCompletionPort(hFile, NULL, CK_FILE,  2 );

 

 

 

　　第2个数据结构是“I/O请求完成队列”。当一个异步设备I/O请求完成，系统查看该设备是否与一个I/O完成端口关联，如果是，系统在“I/O请求完成队列”的队尾加上一个“已经完成的I/O请求”的记录。队列中的每个记录指明以下内容：1、传输的数据的字节数；2、设备与I/O完成端口关联时候的完成Key；3、I/O请求的OVERLAPPED结构指针；4、一个错误码。

 

 

 

取得I/O完成端口状态信息

　　当你的服务器系统启动，应该创建一个I/O完成端口，然后创建一个线程池来处理客户请求，一般而言，线程池中线程的数量为CPU的2倍。

 

　　线程池中的所有线程所执行的功能是一样的，这些线程往往进入阻塞状态来等待设备I/O完成，可以通过GetQueuedCompletionStatus函数实现：

 

 

BOOL GetQueuedCompletionStatus(
   HANDLE       hCompletionPort,           //  I/O完成端口对象句柄
   PDWORD       pdwNumberOfBytesTransferred,      // 传输数据的字节数
   PULONG_PTR   pCompletionKey,        // 关联的完成Key
   OVERLAPPED **  ppOverlapped,          // OVERLAPPED结构的指针的地址
   DWORD        dwMilliseconds);       // 等待时间（毫秒）

 

　　这个函数让线程等待一个特定的I/O完成端口，通过第一个参数指明这个I/O完成端口。这个函数使得呼叫它的线程进入等待状态，直到在这个I/O完成端口的“I/O请求完成队列”中出现了一个记录，或者参数dwMilliseconds指明的时间超出。

 

 

 

　　第3个数据结构：“等待线程队列”，指明了所有等待在这个I/O完成端口上的线程，这些线程都是因为呼叫GetQueuedCompletionStatus函数而等待一个I/O完成端口的，这些线程的ID记录在这个队列中，使得I/O完成端口可以知道哪些线程正在等待。当一个与I/O完成端口关联的设备完成了一个异步设备I/O请求的时候，“I/O请求完成队列”的队尾会出现一个记录，此时I/O完成端口唤醒在“等待线程队列”中的一个线程，这个线程呼叫的GetQueuedCompletionStatus函数会返回，并得到传输数据的字节数、完成Key、OVERLAPPED结构的地址。

 

　　确定GetQueuedCompletionStatus函数返回的原因比较复杂，可以通过下面编码确定之：

 

 

DWORD dwNumBytes;          // 传输数据的字节数
ULONG_PTR CompletionKey;   // 完成Key
OVERLAPPED *  pOverlapped;   // OVERLAPPED结构指针

//  hIOCP是一个I/O完成端口对象句柄，在其他地方被创建
BOOL bOk  =  GetQueuedCompletionStatus(hIOCP,
           & dwNumBytes,  & CompletionKey,  & pOverlapped,  1000 );
DWORD dwError  =  GetLastError();      // 取得错误码

if  (bOk)
{
      //  等待成功，一个I/O请求完成了，可以处理之
}
else
{
      if  (pOverlapped  !=  NULL)
     {
           //  I/O请求失败，dwError错误码包含了错误的原因
      }
      else
     {
           if  (dwError  ==  WAIT_TIMEOUT)
          {
                //  等待时间超出，没有记录出现在“I/O请求完成队列”
           }
           else
          {
               //  错误地呼叫GetQueuedCompletionStatus，比如句柄无效
                 //  dwError错误码中包含错误的原因
           }
     }
}

 

 

 

　　要注意的是，“I/O请求完成队列”中的记录是按FIFO的方式入队和出队的。而“等待线程队列”中的线程是按LIFO的方式进出的，很像堆栈（但是作者就说是queue）。

 

 

 

　　在Windows Vista中，如果你希望很多I/O请求被同时提交或处理，你不需要增加很多线程，而可以通过GetQueuedCompletionStatusEx来取得多个I/O请求完成的结果：

 

 

BOOL GetQueuedCompletionStatusEx(
  HANDLE hCompletionPort,      // I/O完成端口句柄
  LPOVERLAPPED_ENTRY pCompletionPortEntries,      // I/O请求完成记录数组
  ULONG ulCount,      // I/O请求完成记录的个数
  PULONG pulNumEntriesRemoved,     // 实际取得的I/O请求完成记录
  DWORD dwMilliseconds,    // 等待时间
  BOOL bAlertable);        // 是否让线程进入“待命状态”，一般设置为FALSE

 

　　该函数的第2个参数是一个指向结构OVERLAPPED_ENTRY的地址（一般是一个该结构的数组），该结构定义如下：

 

 

typedef  struct  _OVERLAPPED_ENTRY {
   ULONG_PTR lpCompletionKey;      // 完成Key
   LPOVERLAPPED lpOverlapped;      // OVERLAPPED指针
   ULONG_PTR Internal;                  // 该字段应该避免使用
   DWORD dwNumberOfBytesTransferred;    // 传输数据的字节数
} OVERLAPPED_ENTRY,  * LPOVERLAPPED_ENTRY;

 

 

　　本书中有一节“How the I/O Completion Port Manages the Thread Pool

 

”，感觉没有必要说了，看看就行，都是内部细节。

 

　　还有要讲的就是线程池中应该有多少个线程。看过一些资料，本书上说是CPU个数的2倍，还有一些资料上说是2*CPU个数+2，这个感觉也没有什么好讲的，具体问题具体分析吧，呵呵。

 

 

 

模仿完成的I/O请求

　　你可以模仿一个完成的I/O请求，让某个等待在I/O完成端口上的线程唤醒并执行。这也是一种线程间通信的机制。你可以通过PostQueuedCompletionStatus实现之：

 

BOOL PostQueuedCompletionStatus(
   HANDLE      hCompletionPort,     //  I/O完成对象句柄
   DWORD       dwNumBytes,          //  预期传递数据的字节数
   ULONG_PTR   CompletionKey,       //  完成Key
   OVERLAPPED *  pOverlapped);       //  OVERLAPPED结构指针

 

 

　　该函数在I/O完成端口的“I/O请求完成队列”中加入一个记录，这个记录对应的一些数据由该函数的第2、3、4个参数给出。调用成功，该函数返回TRUE。

 

 

 

I/O完成端口使用步骤

　　我以网络服务的套接字为例，说明一下I/O完成端口的使用步骤：

 

1、初始化套接字（Ws2_32.dll）——WSAStartup

 

2、创建一个I/O完成端口

 

3、创建一些线程，可以包含一个监听线程和若干个等待状态的处理线程

 

4、创建一个套接字socket，并邦定（bind），然后监听（listen）

 

5、反复循环，调用accept等待客户请求连接，

 

6、将连接进来的套接字与I/O完成端口关联起来

 

7、投递一个处理信息的请求，可以使用PostQueuedCompletionStatus，唤醒处理线程，从而让处理线程进行连接请求处理。

 

　　如此重复5～7即可。