《Windows via C/C++》学习笔记 —— 设备I/O之“异步设备I/O请求”

　　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。