Windows核心编程学习笔记(21)--同步设备I/O与异步设备I/O2

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1. 异步设备I/O基础

异步设备I/O是指，当一个线程向设备发送一个异步I/O请求时，这个I/O被传送给设备驱动程序，后者负责完成实际的I/O惭怍。当驱动程序在等待设备响应的时候，应用程序的线程并没有因为要等待I/O请求完成而被挂起，线程会继续运行并执行其他有用的任务。

通俗点来说，如果是异步调用处理设备I/O的函数，该函数会立即返回，不用等待。

使用异步I/O的操作方式：

1. 在CreateFile创建设备对象的时候在dwFlagsAndAttributes中指定FILE_FLAG_OVERLAPPED标志
2. 在ReadFile和WriteFile中指定最后一个LPOVERLAPPED 参数
   

1. 介绍OVERLAPPED结构

typedef struct _OVERLAPPED {
	ULONG_PTR Internal;				// 返回出错误码;
	ULONG_PTR InternalHigh;			// 返回传输的字节;
	union {
		struct {
			DWORD Offset;			// 指定文件访问中应该从哪里开始访问文件数据;
			DWORD OffsetHigh;
		} DUMMYSTRUCTNAME;
		PVOID Pointer;
	} DUMMYUNIONNAME;

	HANDLE  hEvent;					// 用来通知请求完成;
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

其中第一个参数Internal保存已处理的I/O请求的错误码，一旦发送异步I/O请求，设备驱动程序会立即将该参数设备STATUS_PENDING，表示没有错误，应用程序可以使用HasOverlappedIoCompleted宏来检查一个异步I/O操作是否已经完成。

2. 异步I/O的注意事项

我们需要注意以下几点：

1. 设备驱动程序不必以先入先出的方式处理队列中的I/O请求，即不一定是先调用I/O请求的就一定先完成

2. 检查错误的方式，使用异步调用ReadFile或WriteFile都会立即返回，返回为FALSE，GetLastError检查是ERROR_IO_PENDING说明I/O操作正在进行并且没发生错误，如果GetLastError返回其他值说明发送错误调用失败

3. 在异步操作请求完成之前，一定不能移动或销毁I/O请求使用的数据缓存和OVERLAPPED结构，每个I/O请求都必须分配和初始化一个OVERLAPPED结构

3. 取消队列中的设备I/O请求

我们肯呢个想要在设备驱动程序对一个已经在加入队列的设备I/O请求进行处理之前取消：

1. 调用CancelIo来取消给定句柄所标示的线程天极道队列中的所有I/O请求（除非该句柄具有与之相关联的I/O完成端口）

2. 关闭设备句柄来取消已经添加到队列中的所有I/O请求，不管它们是由哪个线程创建

3. 线程终止时候，系统会自动取消该线程发出的所有I/O请求，关联I/O完成端口的请求是例外

4. 使用CancelIoEx取消某个设备的某个异步I/O请求，有两个参数，第一个为设备句柄，第二个为指定的OVERLAPPED对象，用来指定取消哪个异步I/O请求，如果第二个参数为NULL，则取消该设备所有的I/O请求

2. 接收I/O请求完成通知

Windows提供4中不同方法来接收I/O请求已经完成的通知

1. 触发设备内核对象

当一个线程触发一个设备异步I/O请求时，设备内核对象就会设为未触发状态，当设备驱动程序完成了请求之后，会将设备内核对象设为触发状态。

所以线程可以通过WaitForSingleObject或WaitForMultipleObjects。

这种方法使用简单，但是缺点是每个内核对象每次只能处理一个异步I/O请求，否则的话不知道是哪个请求完成。

2. 触发事件内核对象

发送异步I/O请求，传入的OVERLAPPED结构最后一个成员hEvent用来标识一个事件内核对象，我们必须通过CreateEvent来创建你该对象。

当一个异步I/O请求完成的时候，设备驱动程序会检查hEvent成员是否为NULL，不为NULL则触发该事件，所以我们可以等待每个异步I/O请求的hEvent事件是否触发来判断是否完成请求。

多个异步设备I/O请求必须为每个请求创建不同的事件对象。

我们可以使用GetOverlappedResult来获得异步I/O的结果：

BOOL
GetOverlappedResult(
	HANDLE hFile,						// 设备句柄;
	LPOVERLAPPED lpOverlapped,			// 异步I/O请求时传入的OVERLAPPED结构体;
	LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,	// 传输的字节;
	 BOOL bWait							// 是否等待请求完成;
	);

我们也可以自己等待hEvent成员触发，然后自己检查OVERLAPPED的Internal来判断错误码，InternalHigh判断传输的字节。

为了略微提高性能，我们可以使用函数SetFileCompletionNotificationModes设置不触发第一种情况下所说的设备内核对象：

BOOL
SetFileCompletionNotificationModes(
	HANDLE FileHandle,	// 设备句柄;
	UCHAR Flags			// 标志，传入FILE_SKIP_SET_EVENT_ON_HANDLE;
	);

 

3. 可提醒I/O

首先需要知道的是，可提醒I/O设计的非常糟糕，所以应该避免使用！

每个线程创建的时候都会创建一个异步过程调用队列，当发出一个I/O请求的时候，我们可以告诉设备驱动程序在调用线程的APC队列中添加一项。

为了能够实现我们的调用ReadFileEx和WriteFileEx函数来完成异步I/O请求，该两个函数和原先函数相比，少了返回已经传输的字节数，多了最后一个LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE参数，该参数是一个回调函数，函数形式如下：

VOID
(WINAPI *LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE)(
	DWORD dwErrorCode,					// 错误码;
	DWORD dwNumberOfBytesTransfered,	// 实际传输的字节;
	LPOVERLAPPED lpOverlapped			// 异步请求时候的OVERLAPPED结构体;
	);

使用ReadFileEx和WriteFIleEx发出的请求会将回调函数地址传给设备驱动程序，当请求完成的时候，会向发出请求的线程的APC队列中添加一项。

顺便提下，可提醒I/O完成时不会触发OVERLAPPED的hEvent成员，所以可以占为己用。

当线程处于可提醒状态，系统会检查它的APC队列，对队列中的每一项，都会调用完成函数并传入参数。

当I/O请求完成时候，系统将他们会添加到APC队列中——并不会立即调用。线程为了对APC队列的项进行处理，必须将自己置为可提醒状态。Windows提供了6个函数可将线程置为可提醒状态：SleepEx，WaitForSingleObjectEx，WaitForMultipleObjectsEx，SingalObjectAndWait，GetQueuedCompletionStatusEx，MsgWaitForMultipleObjectsEx。前5个参数最后一个参数是个BOOL值，表示是否将线程置为可提醒状态，最后一个函数的最后一个参数必须使用标志MWMO_ALERTABLE来让线程进入可提醒状态。

当使用这些函数调用等待函数并设置可提醒状态时，如果APC队列有项，则他们并不会被挂起。

可提醒I/O的劣势：

1. 可提醒必须创建一个回调函数，是代码变得复杂，因为我们不得不把换掉函数用到的信息放在全局变量中。
2. 线程问题，发出I/O请求的线程必须同时对完成通知进行处理，伸缩性不是很好。

可提醒I/O的优点：

Windows提供函数QueueUserAPC手动向将一项添加到APC队列中：

DWORD
QueueUserAPC(
	PAPCFUNC pfnAPC,	// 回调函数;
	HANDLE hThread,		// 线程句柄;
	ULONG_PTR dwData	// 传入回调函数的参数;
	);

回调函数指针原型：

VOID
(NTAPI *PAPCFUNC)(
	ULONG_PTR Parameter	// QueueUserAPC的第3个参数;
	);

hThread标识的线程可以在另一个进程的地址空间中，如果是那样那么pfnAPC也必须在同一个进程的地址空间中。

QueueUserAPC可以用来强制让线程退出等待状态：

如果某一个线程正在等待，并且该线程是可提醒的，我们可以向它APC队列添加项来使它根据等待函数返回的内容来判断是否退出，处理APC队列的等待函数返回的是WAIT_IO_COMPLETION

 

4. I/O完成端口

完成端口是到目前为止伸缩性最好的处理I/O请求的方法，他可以让用户创建等待请求线程，然后在另外一个线程完成请求，适合多个并发操作的请求，例如套接字请求。

这里指介绍完成端口的使用方法：

1. 了解CreateIoCompletionPort函数：

HANDLE		// 返回创建的句柄;
CreateIoCompletionPort(
	HANDLE FileHandle,				// 设备句柄;
	HANDLE ExistingCompletionPort,	// 当前存在的完成端口句柄，用于与设备句柄关联;
	ULONG_PTR CompletionKey,		// 关键字，通常是一个结构体指针，标识I/O的请求，该指针会在结果中返回;
	DWORD NumberOfConcurrentThreads	// 允许并发线程数目，通常为0表示等于CPU数目;
	);

使用该函数最常用的是，先创建一个完成端口，然后与设备进行关联：

// 创建完成端口;
HANDLE hComplete = CreateIoCompletionPort( INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0 );

// 与设备句柄关联;
CreateIoCompletionPort( hFile, hComplete, dwKey, 0 );

也可以在创建的时候直接关联：

// 创建完成端口的时候直接关联;
HANDLE hComplete = CreateIoCompletionPort( hFile, NULL, dwKey, 0 );

如果我们的设备已经与完成端口关联，但是我们发出一个的请求，使它在完成时候不添加到I/O完成端口队列中，则我们需要设置发送请求的OVERLAPPED的hEvent成员：

// 创建OVERLAPPED对象，并让hEvent与按位1或起来;
OVERLAPPED ol = {0};
ol.hEvent = CreateEvent( NULL, TRUE, FALSE, NULL );
ol.hEvent = (HANDLE)((DWORD_PTR)ol.hEvent | 1 );

ReadFile(..., &ol);

// 关闭事件的时候不要忘了将低位清除;
CloseHandle( (HANDLE)((DWORD_PTR)ol.hEvent & ~1) );

另外提一个，如果关联了完成端口的设备，在发送同步请求的时候，请求完成Windows也会将结果放到完成队列中，为了略微提高性能，可能使用上面提到的SetFileCompletionNotificationModes函数，第一个参数传入设备句柄，第二个参数传入FILE_SKIP_COMPLETION_PORT_ON_SUCCESS告诉Windows不要将以同步方式完成的请求放到完成端口中。

2. 获得I/O请求的结果

通常处理I/O请求结果是在另外一个独立的工作线程，且该线程的数量最好是处理器数量的2倍左右。

完成端口将完成的I/O请求添加到I/O完成队列中，工作线程可以使用函数GetQueuedCompletionStatus来从完成端口获取到完成的I/O请求：

BOOL
GetQueuedCompletionStatus(
	HANDLE CompletionPort,				// 完成端口句柄;
	LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,	// 实际传送的字节数;
	PULONG_PTR lpCompletionKey,			// 设备句柄与完成端口关联的时候传入的关键字;
	LPOVERLAPPED *lpOverlapped,			// 发送I/O请求时候的OVERLAPPED结构体指针;
	DWORD dwMilliseconds				// 等待时间，可以为INFINITE;
	);

也可以使用函数GetQueuedCompletionStatusEx来同时获取多个I/O请求结果：

BOOL
GetQueuedCompletionStatusEx(
	HANDLE CompletionPort,						// 完成端口句柄;
	LPOVERLAPPED_ENTRY lpCompletionPortEntries,	// OVERLAPPED_ENTRY数组指针;
	ULONG ulCount,								// 上面数组的数量;
	PULONG ulNumEntriesRemoved,		// 实际获得的OVERLAPPED_ENTRY数组元素个数;
	DWORD dwMilliseconds,			// 等待时间;
	BOOL fAlertable					// 是否进入可提醒状态;
	);

// OVERLAPPED_ENTRY结构体;
typedef struct _OVERLAPPED_ENTRY {
	ULONG_PTR lpCompletionKey;		// 关键字;
	LPOVERLAPPED lpOverlapped;		// 返回发送I/O请求时候的OVERLAPPED结构体的指针;
	ULONG_PTR Internal;				// 没有明确定义，不应该使用;
	DWORD dwNumberOfBytesTransferred;	// 实际传输的字节数;
} OVERLAPPED_ENTRY, *LPOVERLAPPED_ENTRY;

3. 为了方便理解，我拿了以前一本Socket书上的基于完成端口的实现代码，可以去下载看看： http://download.csdn.net/detail/drecik__/4776851