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Windows系统编程之异步I/O和完成端口

【作者】北极星2003【来源】看雪技术论坛（）【时间】2006年7月1日

链接：/?threadid=28342

一、同步I/O和异步I/O

在介绍这部分内容之前先来认识下“异步I/O”。说起异步IO，很容易联想到同步I/O，对于同一

个I/O对象句柄在同一时刻只允许一个I/O操作，其原理如下图所示：

显然，当内核真正处理I/O的时间段（T2~T4），用户线程是处于等待状态的，如果这个时间段比较

段的话，没有什么影响；倘若这个时间段很长的话，线程就会长时间处于挂起状态。事实上，该线程完

全可以利用这段时间用处理其他事务。

异步I/O恰好可以解决同步I/O中的问题，而且支持对同一个I/O对象的并行处理，其原理如下图

所示：

异步I/O在I/O请求完成时，可以使用让I/O对象或者事件对象受信来通知用户线程，而用户线程

中可以使用GetOverlappedResult来查看I/O的执行情况。

由于异步I/O在进行I/O请求后会立即返回，这样就会产生一个问题：“程序是如何取得I/O处理

的结果的？”。

有多种方法可以实现异步I/O，其不同资料上的分类一般都不尽相同，但原理上都类似，这里我把实

现异步I/O的方法分为3类，本文就针对这3类方法进行详细的讨论。

（1）重叠I/O（2）异步过程调用（APC），扩展I/O（3）使用完成端口（IOCP）

二、使用重叠I/O实现异步I/O

同一个线程可以对多个I/O对象进行I/O操作，不同的线程也可以对同一个I/O对象进行操作，在我

的理解中，重叠的命名就是这么来的。

在使用重叠I/O时，线程需要创建OVERLAPPED结构以供I/O处理。该结构中最重要的成员是hEvent，

它是作为一个同步对象而存在，如果hEvent为NULL，那么此时的同步对象即为文件句柄、管道句柄等

I/O操作对象。当I/O完成后，会使这里的同步对象受信，从而通知用户线程。

由于在进行I/O请求后会立即返回，但有时用户线程需要知道I/O当前的执行情况，此时就可以使用

GetOverlappedResult。如果该函数的bWait参数为true,那么改函数就会阻塞线程直到目标I/O处理完

成为止；如果bWait为fal，那么就会立即返回，如果此时的I/O尚未完，调用GetLastError就会返

回ERROR_IO_INCOMPLETE。

代码示例一：

DWORDnReadByte;

BYTEbBuf[BUF_SIZE];

OVERLAPPEDov={0,0,0,0,NULL};//hEvent=NULL;

HANDLEhFile=CreateFile(„„,FILE_FLAG_OVERLAPPED,„„);

ReadFile(hFile,bBuf,sizeof(bBuf),&nReadByte,&ov);

//由于此时hEvent=NULL，所以同步对象为hFile,下面两句的效果一样

WaitForSingleObject(hFile,INFINITE);

//GetOverlappedResult(hFile,&ov,&nRead,TRUE);

这段代码在调用ReadFile后会立即返回，但在随后的WaitForSingleObject或者GetOverlappedResult

中阻塞，利用同步对象hFile进行同步。

这段代码在这里可以实现正常的异步I/O，但存在一个问题，倘若现在需要对hFile句柄进行多个I/O

操作，就会出现问题。见下面这段代码。

代码示例二：

DWORDnReadByte;

BYTEbBuf1[BUF_SIZE],bBuf2[BUF_SIZE],bBuf3[BUF_SIZE];

OVERLAPPEDov1={0,0,0,0,NULL};

OVERLAPPEDov2={0,0,0,0,NULL};

OVERLAPPEDov3={0,0,0,0,NULL};

HANDLEhFile=CreateFile(„„,FILE_FLAG_OVERLAPPED,„„);

ReadFile(hFile,bBuf1,sizeof(bBuf1),&nReadByte,&ov1);

ReadFile(hFile,bBuf2,sizeof(bBuf2),&nReadByte,&ov2);

ReadFile(hFile,bBuf3,sizeof(bBuf3),&nReadByte,&ov3);

//假设三个I/O处理的时间比较长，到这里还没有结束

GetOverlappedResult(hFile,&ov1,&nRead,TRUE);

这里对于hFile有三个重叠的I/O操作，但他们的同步对象却都为hFile。使用GetOverlappedResult

进行等待操作，这里看似在等待第一个I/O处理的完成，其实只要有任何一个I/O处理完成，该函数就

会返回，相当于忽略了其他两个I/O操作的结果。

其实，这里有一个很重要的原则：对于一个重叠句柄上有多于一个I/O操作的时候，应该使用事件对

象而不是文件句柄来实现同步。正确的实现见代码示例三：

DWORDnReadByte;

BYTEbBuf1[BUF_SIZE],bBuf2[BUF_SIZE],bBuf3[BUF_SIZE];

HANDLEhEvent1=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);

HANDLEhEvent2=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);

HANDLEhEvent3=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);

OVERLAPPEDov1={0,0,0,0,hEvent1};

OVERLAPPEDov2={0,0,0,0,hEvent2};

OVERLAPPEDov3={0,0,0,0,hEvent3};

HANDLEhFile=CreateFile(„„,FILE_FLAG_OVERLAPPED,„„);

ReadFile(hFile,bBuf1,sizeof(bBuf1),&nReadByte,&ov1);

ReadFile(hFile,bBuf2,sizeof(bBuf2),&nReadByte,&ov2);

ReadFile(hFile,bBuf3,sizeof(bBuf3),&nReadByte,&ov3);

//此时3个I/O操作的同步对象分别为hEvent1,hEvent2,hEvent3

GetOverlappedResult(hFile,&ov1,&nRead,TRUE);

这样，这个GetOverlappedResult就可以实现对第一个I/O处理的等待

关于重叠I/O的就讨论到这里，关于重叠I/O的实际应用，可以参考《Windows系统编程之进程通信》

其中的命名管道实例。/?s=&threadid=26252

三、使用异步过程调用实现异步I/O

异步过程调用（APC），即在特定的上下文中异步的执行一个调用。在异步I/O中可以使用APC，即让操

作系统的IO系统在完成异步I/O后立即调用你的程序。（在有些资料中，把异步I/O中的APC称为“完

成例程”，感觉这个名称比较贴切，下文就以“完成例程”来表述。另外通常APC是作为线程同步这一

块的内容，这里尽量淡化这个概念以免混淆。关于APC的详细内容到线程同步时再介绍）

这里需要注意三点：

（1）APC总是在调用线程中被调用；

（2）当执行APC时，调用线程会进入可变等待状态；

（3）线程需要使用扩展I/O系列函数，例如ReadFileEx,WriteFileEx,另外可变等待函数也是必须

的（至少下面其中之一）：

WaitForSingleObjectEx

WaitForMultipleObjectEx

SleepEx

SignalObjectAndWait

MsgWaitForMultipleObjectsEx

在使用ReadFileEx,WriteFileEx时，重叠结构OVERLAPPED中的hEvent成员并非一定要指定，因为系

统会忽略它。当多个IO操作共用同一个完成例程时，可以使用hEvent来携带序号等信息，用于区别不

同的I/O操作，因为该重叠结构会传递给完成例程。如果多个IO操作使用的完成例程都不相同时，则直

接把hEvent设置为NULL就可以了。

在系统调用完成例程有两个条件：

（1）I/O操作必须完成（2）调用线程处于可变等待状态

对于第一个条件比较容易，显然完成例程只有在I/O操作完成时才调用；至于第二个条件就需要进行认

为的控制，通过使用可变等待函数，让调用线程处于可变等待状态，这样就可以执行完成例程了。这里

可以通过调节调用可变等待函数的时机来控制完成例程的执行，即可以确保完成例程不会被过早的执行。

当线程具有多个完成例程时，就会形成一个队列。使用可变等待函数使线程进入可变等待状态时有一个

表示超时值的参数，如果使用INFINITE，那么只有所有排队的完成例程被执行或者句柄获得信号时该等

待函数才返回。

上面已经对利用完成例程实现异步I/O的一些比较重要的细节进行的简洁的阐述，接下来就以一个实例

来说明完成例程的具体实现过程。

实例一：使用完成例程的异步I/O示例

1、设计目标：体会完成例程的异步I/O实现原理及过程。

2、问题的分析与设计

设计流程图如下：

示图说明：

三个IO操作分别是IO_A,IO_B,IO_C,他们的完成例程分别是APC_A,APC_B,APC_C。IO_A,IO_B

是两个很短的IO操作，IO_C是一个比较费时的IO操作。

3、详细设计（关键代码如下,具体参见附件中的源代码CompletionRoutine）

代码:

VOIDWINAPIAPC_A(DWORDdwError,DWORDcbTransferred,LPOVERLAPPEDlpo){

_back("执行IO_A的完成例程");

}

VOIDWINAPIAPC_B(DWORDdwError,DWORDcbTransferred,LPOVERLAPPEDlpo){

_back("执行IO_B的完成例程");

}

VOIDWINAPIAPC_C(DWORDdwError,DWORDcbTransferred,LPOVERLAPPEDlpo){

_back("执行IO_C的完成例程");

}

voidCCompletionRoutineDlg::OnTest(){

//TODO:Addyourcontrolnotificationhandlercodehere

HANDLEhFile_A,hFile_B,hFile_C;

OVERLAPPEDov_A={0},ov_B={0},ov_C={0};

#defineC_SIZE1024*1024*32

stringszText_A="SampleA!";

stringszText_B="SampelB!";

stringszText_C;

szText_(C_SIZE);

memt(&(szText_C[0]),0x40,C_SIZE);

();

hFile_A=CreateFile("",GENERIC_WRITE,0,NULL,

CREATE_ALWAYS,FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL);

hFile_B=CreateFile("",GENERIC_WRITE,0,NULL,

CREATE_ALWAYS,FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL);

hFile_C=CreateFile("",GENERIC_WRITE,0,NULL,

CREATE_ALWAYS,FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL);

WriteFileEx(hFile_A,&(szText_A[0]),szText_(),&ov_A,APC_A);

_back("启动IO_A,并立即返回");

WriteFileEx(hFile_B,&(szText_B[0]),szText_(),&ov_B,APC_B);

_back("启动IO_B,并立即返回");

WriteFileEx(hFile_C,&(szText_C[0]),szText_(),&ov_C,APC_C);

_back("启动IO_C,并立即返回");

_back("进入可变等待状态");

SleepEx(1,true);

_back("结束可变等待状态");

_back("进入可变等待状态");

SleepEx(10000,true);

_back("结束可变等待状态");

CloHandle(hFile_A);

CloHandle(hFile_B);

CloHandle(hFile_C);

m_ontent();

list::iteratorp;

for(p=();p!=();p++){

m_ing(p->data());

}

DeleteFile("");

DeleteFile("");

DeleteFile("");

}

执行后的效果如下（WinXP+SP2+VC6.0）：

4、心得体会

每当一个IO操作结束时会产生一个完成信息，如果该IO操作有完成例程的话就添加到完成例程队列。

一旦调用线程进入可变等待状态，就会依次执行队列中的完成例程。

在这个示例中还有一个问题，如果把这个软件放在系统分区的文件目录下可以正常执行，而放在其他盘

符下就会出现问题，执行结果就不同，真是奇怪了。

四、使用完成端口（IOCP）

实例二、使用IOCP的异步I/O示例

1、设计目标

体会完成端口的异步I/O实现原理及过程。

2、问题的分析与设计

说明：每个客户端与一个管道进行交互，而在交互过程中I/O操作结束后产生的完成包就会进入“I/O

完成包队列”。完成端口的线程队列中的线程使用GetQueuedCompletionStatus来检测“I/O完成包队

列”中是否有完成包信息。

3、详细设计（关键代码如下，具体见附件中的源码）

代码:

UINTServerThread(LPVOIDlpParameter){

„„

while(true)

{

GetQueuedCompletionStatus(pMyDlg->hCompletionPort,&cbTrans,&dwCompletionKey,&lpov,INFINITE

);

if(dwCompletionKey==-1)

break;

//读取管道信息

//响应管道信息（写入）

}

return0;

}

voidCMyDlg::OnStart(){

//创建完成端口

hCompletionPort=CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,0,nMaxThread);

CStringlpPipeName=".PipeNamedPipe";

for(UINTi=0;i

{

//创建命名管道

PipeInst[i].hPipe=CreateNamedPipe(lpPipeName,PIPE_ACCESS_DUPLEX|FILE_FLAG_OVERLAPPED,

PIPE_TYPE_BYTE|PIPE_READMODE_BYTE|PIPE_WAIT,nMaxPipe,0,0,INFINITE,NULL);

„„

//把命名管道与完成端口关联起来

HANDLEhRet=CreateIoCompletionPort(PipeInst[i].hPipe,hCompletionPort,i,nMaxThread);

„„

//等待连接

ConnectNamedPipe(PipeInst[i].hPipe,&(PipeInst[i].ov));

}

//创建线程

for(i=0;i

{

hThread[i]=AfxBeginThread(ServerThread,NULL,THREAD_PRIORITY_NORMAL);

}

„„

}

voidCMyDlg::OnStop(){

for(UINTi=0;i

{

//用来唤醒线程的虚假I/O完成包

PostQueuedCompletionStatus(hCompletionPort,0,-1,NULL);

CloHandle(hThread[i]);

}

for(i=0;i

{

DisconnectNamedPipe(PipeInst[i].hPipe);

CloHandle(PipeInst[i].hPipe);

}

„„

}

4、心得体会

上面这个例子是关于完成端口的简单应用。可以这样来理解完成端口，它与三种资源相关分别是管道、

I/O完成包队列、线程队列，它的作用是协调这三种资源。

【参考文献】

[1].Windows系统编程.著

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