Windows与Linux的异步IO在设计上的差异

在windows操作系统内核中，首先要明白四个概念，apc（异步过程调用），dpc（延迟过程调用），irp（io请求包）以及基于优先级的抢占式调度，下面分别解释：

1.apc。 异步过程调用类似于linux下的信号，只不过信号处理函数的执行需要两步：设置和触发，而apc则只有一步，只需要将apc回调函数排入线程的apc对 列，它就总会被执行的。apc对列对于每个线程有两个，一个是用户空间的apc对列，一个是内核空间的apc对列，apc函数运行在apc优先级上，它一 般高于用户线程的优先级。

2.dpc。延迟过程调用一般用于中断的后期处理。中断可在任何进程（线程）的上下文里面运行，而且一般情况下中断处理 函数要关闭相应中断，以防重入，为了使这种不确定的情况时间最小化，windows只会在中断处理函数里面呆一小会，然后排队一个dpc，从而退出中断，dpc在低于isr的优先级运行，因此它可被硬件中断中断。

3.irp。这在windows里是一个异常重要的概念，它直接导致 windows的设计理念和类unix以及unix的设计理念的不同。一个irp封装了一个io操作过程，它的内部是一个栈结构，每个栈帧代表一个驱动程 序模块，其中封装了此驱动的回调函数，irp就是一级一级往下层驱动传递从而完成一个io操作。
4.基于优先级的抢占式调度。这个是 windows下的调度策略，它完全基于优先级（还有时间片，但不影响什么，时间片对所有进程的策略一样），而不是其它。如果有更高优先级线程就绪，那么它将马上抢占当前线程。就连中断都有自己优先级，呵呵，当然它是最高的...windows的响应性依赖于动态优先级提升，但是这就牵扯到别的方面了，和这篇文章的主题不对，因此不讨论。

明白了上面的概念以后，我们就可以继续了。

windows的io操作步骤如下：

1.应用程序调用ReadFile函数

2.ntdll.dll将用户请求陷入内核空间继续处理，由io管理器接管

3.io管理器创建一个irp，然后根据用户请求填充其字段，接着将其交给最上层驱动程序

4.驱动程序一层一层将irp传给硬件设备后一层层返回。注意，每往下传递一层都要注册io完成回调。

到这里，如果是异步调用，那么就可以返回用户空间处理了，如果是同步的，则在io管理器那里被阻塞，io操作还没有完，接着往下看：

5.硬件操作完成，产生中断，中断排队一个dpc后返回

6.dpc运行，调用驱动的完成例程

7.每层的完成例程相继被调用，控制流一层层的返回给io管理器

8.将ReadFileEx中的用户apc排队（异步情况下），这个apc将在不长的时间内被调用，因为它的优先级高于用户线程。

以 上就是windows的io流程，可见，irp的自洽性与独立性使得一切成为可能，irp包含了足够的信息足以使io操作脱离线程环境，这也是 windows内核整体的设计理念----模块化。windows的优先级控制非常巧妙，有个概念叫“中断请求级”，就是将cpu的运行分成了不同的级别分别为：PASSIVE_LEVEL---DISPATCH_LEVEL---PROFILE_LEVEL，windows将任务在这几个优先级中分配， 使得操作变得简单，它基于一条原则：一旦某CPU执行在高于PASSIVE_LEVEL的IRQL上时，该CPU上的活动仅能被拥有更高IRQL的活动抢先。这条原则保证了很多操作可以安全进行，比如io派遣例程运行在PASSIVE_LEVEL上，而从irp对列拽一个irp以求处理的dpc运行在DISPATCH_LEVEL，这样就不会有任何派遣例程打扰一个irp的操作，从而省去了锁的操作，在一个硬件中断中，运行在硬件中断优先级的cpu将一个dpc排入该cpu对列，中断完毕后cpu降至DISPATCH_LEVEL优先级，dpc得以执行...优先级控制正是windows的一大特色。

综上我们明白了windows异步io的几大要素：1.独立自洽的irp结构；2.优先级的控制。进一步抽象到了windows的设计思想：模块化。windows本身是微内核系统，而微内核就是模块化的。

反观linux的异步io，其实现就是在原来同步阻塞点直接返回，然后在以后重试，负责重试的在老内核不支持异步io的情况下是一系列用户线程，而在 2.6以后是工作队列，而工作队列本质上是一个内核线程，由此可见，linux中并没有和windows对应的dpc的概念，如果非要拉出来一个长得像的，那就是softirq了，但是也就仅仅执行点像，实际上softirq在大多数情况下是由softirqd内核线程执行的，为的就是不让 softirq（dpc？）长期占据处理器，试想一个多网卡的高负载的服务器，softirq几乎占据了很大一块cpu资源，于是乎，不管什么，不管你多 特殊，一律统一接收线程调度程序的调度，这就是公平。而在windows中却显得不那么公平，当然也可以在windows驱动里面自觉地建立内核线程，但是那毕竟不是系统提供的功能啊！

linux和unix一脉相承，简单，公平，统一可能就是它们的品质，一切都是文件，一切接受调度，接口统一；windows相比就显得有些花花绿绿了， 但我还是很欣赏它的优先级控制方案。传统unix本质上是同步的，因为它简单，受控性很好，可预测，所以它稳定，如果在内核一个函数阻塞了，进程不能继续了，unix的做法就是直接调度schedule，而windows的做法就是异步唤醒，然后调整优先级之类的，因为它本质就是异步的。linux最近吸取了unix和windows的优点，所以直接调度和异步唤醒在内核均可见到，不错不错，但是有些乱，变化太快，我很担心如果linux没有一个根本是设 计理念，随着它复杂性增加，代码膨胀，它会不会失控？！

内核稳定性和它们的设计理念有关吗？仅说一点，windows是基于优先级的，dpc在DISPATCH_LEVEL 运行，除了硬中断用户进程无法将它抢占，那么如果它在内核睡眠的话.....而linux一视同仁，内核线程和用户线程统一被调度，当然就不会频繁挂机了....这仅仅从线程化软中断角度讲，实际上linux下的softirq也是不能睡眠的，因为你不能保证每个softirq都在内核线程上下文执行，不过这并不是问题，现在的新内核都将中断给线程化了，还有什么做不到呢？windows的中断请求优先级实际上是一种抽象，将实际执行硬件或软件和执行本身分离，这是非常不错的，简简单单的一个优先级提升或降低加上一个基本原则就可以代替linux的一大堆加锁解锁禁用抢占之操作。

不管是linux还是windows，其本身都运用了统一，简单的思想，只不过用的地方不同，linux提供的vfs，尽量线程化，windows的优先级控制，对象化.....

windows和linux不愧是两大巨猛系统