重叠IO

第六章 Overlapped I/O，在你身后变戏法

本章回答了如下几个问题：

◆ 什么是Overlapped I/O？为什么需要Overlapped I/O？如何让数据传输支持Overlapped I/O？

◆ 数据传输结束后，Win32提供了哪些方式对用户进行通告，以便进行适当的善后？

◆ 影响线程优先级的因素有哪些？如何获取或设置进程线程优先级？优先级的改变容易带来哪些问题？又该如何应对？

◆ 什么是被激发的文件句柄？什么是被激发的事件？什么是异步进程调用(APCs)？这些方式各是如何实现Overlapped I/O的？各有何优缺点？

◆ 使用Overlapped I/O的初衷是使“受制于I/O的程序”中获得高效率。但是否是各种情况下Overlapped I/O都能提高系统效率吗？

◆ 什么是I/O completion port？这个机制是怎么工作的？有什么优点？为什么说此方式能够很好地支持scalable(可升级的)系统？而对于工作于此模式下的文件，从提高系统效率考虑，怎样才能避免无谓的completion packet通告呢？

什么是Overlapped I/O？
Overlapped I/O，常被设计为多线程处理，以便在一个“受制于I/O的程序”中获得高效率。
利用Win32所谓的overlapped I/O特性，可以让I/O操作并行处理，并且当一个I/O完成时，程序会收到一个通告。有些系统把这个特性称为非阻塞I/O，或异步I/O。
overlapped I/O是Win32的一项技术，你可以要求操作系统为你传送数据，并且传送完毕后通知你。这项技术使你的程序在I/O进行中仍然能够继续处理事务。事实上，操作系统内部正是以线程来完成overlapped I/O。这样，你可以获得线程的所有利益，而不需付出痛苦代价。

在Windows 95环境下，Overlapped I/O使用有些限制。它不支持磁盘或光盘中的文件操作。

Win32文件操作函数
HANDLE CreateFile(

LPCTSTR lpFileName, // pointer to name of the file
DWORD dwDesiredAccess, // access (read-write) mode
DWORD dwShareMode, // share mode
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,// pointer to security attributes
DWORD dwCreationDisposition, // how to create
DWORD dwFlagsAndAttributes, // file attributes
HANDLE hTemplateFile // handle to file with attributes to copy

);
BOOL ReadFile(

HANDLE hFile, // handle of file to read
LPVOID lpBuffer, // pointer to buffer that receives data
DWORD nNumberOfBytesToRead, // number of bytes to read
LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // pointer to number of bytes read
LPOVERLAPPED lpOverlapped // pointer to structure for data

);
BOOL WriteFile(

HANDLE hFile, // handle to file to write to
LPCVOID lpBuffer, // pointer to data to write to file
DWORD nNumberOfBytesToWrite, // number of bytes to write
LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, // pointer to number of bytes written
LPOVERLAPPED lpOverlapped // pointer to structure for overlapped I/O

);
BOOL CloseHandle(

HANDLE hObject // handle to object to close

);

一些说明：
CreateFile()可处理的对象包括：files、pipes、mailslots、communication resource、disk device(Windows NT only)、consoles、directories(open only)。
如果要使用异步I/O，CreateFile()时设置dwFlagsAndAttributes含FILE_FLAG_OVERLAPPED标志，通知操作系统对此文件的访问采取异步I/O模式。
由于异步I/O模式下，可以在同一时间读（或写）文件的许多部分，所以没有“目前的文件位置”这一概念。每次读写都必须包含其文件位置。

OVERLAPPED结构
typedef struct _OVERLAPPED {

DWORD Internal;
DWORD InternalHigh;
DWORD Offset;
DWORD OffsetHigh;
HANDLE hEvent;

} OVERLAPPED;

说明：
Internal
通常它被保留。然而，当GetOverlappedResult()返回FALSE，GetLastError()返回ERROR_IO_PENDING时，这个栏位将内含一个视系统而定的状态。

InternalHigh
通常它被保留。然而，当GetOverlappedResult()返回TRUE时，这个栏位将内含“被传输的数据长度”。

Offset
定义文件开始读（或写）的开始位置，以字节为单位。该偏离位置从文件头开始起算。如果目标设备不支持文件位置（比如管道），此栏忽略。

OffsetHigh
64位的文件偏离量，较高的32位。如果目标设备不支持文件位置（比如管道），此栏忽略。

hEvent
一个手动事件。当overlapped I/O完成后即被激发。ReadFileEx()和WriteFileEx()忽略这个栏位，彼时它可能用来传输一个用户自定义的指针。
注意： OVERLAPPED结构的生命周期应超越ReadFile()和WriteFile()函数。

被激发的File Handles
注意，此方式在Windows95/98下不被支持。详看MSDN中关于GetOverlappedResult()函数的说明。
在Windows NT下，最简单的overlapped I/O类型，是使用它自己的文件句柄作为同步机制。大致流程如下：

调用CreateFile()，设置dwFlagsAndAttributes含FILE_FLAG_OVERLAPPED标志，通知操作系统对此文件的访问采取异步I/O模式；

建立一个OVERLAPPED结构，其中包含I/O请求所需参数；

调用ReadFile()或WriteFile()，最后一个参数为OVERLAPPED结构为参数。此时Win32会在后台处理你的请求；

使用wait…()函数，并将该文件的文件句柄作为参数，等待操作结束。文件句柄是核心对象，一旦操作完成即被激发；

使用GetOverlappedResult()函数，查询操作结果。此时你获得的结果和调用ReadFile()、WriteFile()而没指定overlapped I/O所传回的东西一样。

文件使用完毕，CloseHandle()。

BOOL GetOverlappedResult(
HANDLE hFile, // handle to file, pipe, or comm device
LPOVERLAPPED lpOverlapped, // pointer to overlapped structure
LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, // pointer to actual bytes count
BOOL bWait // wait flag
);
说明：如果bWait设置为FALSE，如果overlapped I/O还没完成，函数返回FALSE，调用GetLastError()会返回ERROR_IO_INCOMPLETE。所以，调用GetOverlappedResult()时如果bWait设置为FALSE，可即时查询overlapped I/O的状态。

举例：
hFile = CreateFile( szPath,
GENERIC_READ,
FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
FILE_FLAG_OVERLAPPED,
NULL);
if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
return -1;
}

// Initialize the OVERLAPPED structure
memset(&overlap, 0, sizeof(overlap));
overlap.Offset = 1500;

// Request the data
rc = ReadFile( hFile,buf,READ_SIZE,&numread,&overlap);

if (rc)
{
// The data was read successfully
}
else
{
if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)
{
VERIFY(WAIT_OBJECT_0 == WaitForSingleObject(hFile, INFINITE));
rc = GetOverlappedResult(hFile, &overlap,&numread,FALSE);
}
else
{
// Something went wrong
}
}

CloseHandle(hFile);

说明：

来源：(http://blog.sina.com.cn/s/blog_5678943c0100d6fc.html) - 第六章 Overlapped I/O，在你身后变戏法(1)_流水_新浪博客
虽然你要求一个overlapped操作，但如果数据已被放入cache中，或操作系统认为它可以快速地取得那份你所要求的数据，那么文件操作会在ReadFile()返回前完成。此时ReadFile()返回TRUE。

如果你要求一个文件操作为overlapped操作，而操作系统把这个“操作请求”放到队列中等待执行，那么ReadFile()或WriteFile()都会传回FALSE以示失败。但函数返回FALSE有多种原因，可调用GetLastError()调查原因，如果是ERROR_IO_PENDING，那说明“操作请求”被放入队列等待执行；其它值，那可能真正代表一个错误了。

OVERLAPPED结构中包含了“这个操作从哪里开始的信息”，可以处理64位的偏移量。

WaitForSingleObject(hFile, INFINITE); rc = GetOverlappedResult(hFile, &overlap,&numread,FALSE);其实可合并为一句：rc = GetOverlappedResult(hFile, &overlap,&numread,TRUE);

被激发的事件对象
使用文件句柄作为激发机制，有一个明显的限制：如果多个线程对同一个文件进行操作，由于只有一个相同的handle，对于每个可能进行的overlapped操作都调用GetOverlappedResult（）查看操作是否完成，这将不是一个很有效率的做法——因为很多的时候并不是自己所期待的操作完成了。另外，Windows95/98下不可以使用文件句柄作为激发机制。

OVERLAPPED结构中的最后一个栏位是一个事件句柄。如果使用文件句柄作为激发对象，可将该位设置为NULL。如果该位被设定为一个事件对象时，系统核心会在overlapped操作完成后，自动设置此事件为激发。
由于每个overlapped操作都有它独一无二的OVERLAPPED结构，每个结构都有它独一无二的事件对象，用以代表该操作。

注意：OVERLAPPED结构中的事件必须是手动事件。否则，如果事件为自动事件，由于系统核心可能会在你有机会等待该事件前就激发它，而自动事件的激发状态是不能保留的，于是事件遗失，这将导致你的等待永远无法返回。

使用手动事件配搭overlapped I/O，就可以对同一个文件发出多个读取操作和多个写入操作，每个操作都有自己的事件对象。然后调用wait…()函数等待其中之一或全部完成。

异步过程调用(Asynchronous Procedure Calls,APCs)
使用overlapped I/O配搭手动事件，会产生两个问题：

使用WaitForMultipleObjects()最多只能等待MAXIMUM_WAIT_OBJECTS个对象。对于Win32，此值目前为64。如果等待的对象超过64，就会出问题。

必须不断地根据“哪一个事件被激发”而计算如何反应。

异步过程调用可解决此问题。此时只要使用“Ex”版的ReadFile（）和WriteFile（）。这两函数可额外指定一个参数，定义一个callback函数。当一个overlapped I/O完成时，系统调用该callback函数。这个callback函数被称为I/O completion routine，因为，系统是在一个特定的overlapped I/O完成后调用它的。

但是，需要注意的是，一个特定的overlapped I/O完成后，Windows并不会贸然中断你的程序，然后调用你所提供的callback函数。那显然可能会带来新的问题。只有线程说“好，现在是一个安全时机”时系统才会调用你的callback函数。以Windows的说法，只有线程处于所谓的“alertabe”状态，回调函数才会被执行，否则对I/O completion routine的调用会被暂时搁置下来。因此，当一个线程终于处于“alertabe”状态时，可能有一堆储备的APCs等待被处理。

如果线程因为以下5个函数而处于等待状态，而其“alertabe”标志被设置为TRUE，则该现程就是处于“alertabe”状态：
DWORD SleepEx(
DWORD dwMilliseconds, // time-out interval in milliseconds
BOOL bAlertable // early completion flag
);
DWORD WaitForSingleObjectEx(
HANDLE hHandle, // handle to object to wait for
DWORD dwMilliseconds, // time-out interval, in milliseconds
BOOL bAlertable // return to execute I/O completion routine if TRUE
);
DWORD WaitForMultipleObjectsEx(
DWORD nCount, // number of handles in handle array
CONST HANDLE *lpHandles, // points to the object-handle array
BOOL fWaitAll, // wait flag
DWORD dwMilliseconds, // time-out interval in milliseconds
BOOL bAlertable // alertable wait flag
)
DWORD MsgWaitForMultipleObjectsEx(
DWORD nCount, // number of handles in handle array
LPHANDLE pHandles, // pointer to an object-handle array
DWORD dwMilliseconds, // time-out interval in milliseconds
DWORD dwWakeMask, // type of input events to wait for
DWORD dwFlags // wait flags
);
DWORD SignalObjectAndWait(
HANDLE hObjectToSignal, // handle to object to signal
HANDLE hObjectToWaitOn, // handle to object to wait for
DWORD dwMilliseconds, // time-out interval in milliseconds
BOOL bAlertable // alertable flag
);
只有使用上面这些函数进行等待ReadFileEx()或WriteFileEx()操作，回调函数才会被执行。

回调函数解释
VOID CALLBACK FileIOCompletionRoutine(
DWORD dwErrorCode, // completion code
DWORD dwNumberOfBytesTransfered, // number of bytes transferred
LPOVERLAPPED lpOverlapped // pointer to structure with I/O information
);
dwErrorCode：0表示操作完成，ERROR_HANDLE_EOF表示操作到文件尾
dwNumberOfBytesTransfered：真正被传输的数据字节数
lpOverlapped：指向OVERLAPPED结构，由开启overlapped I/O操作的函数提供。由于APCs时OVERLAPPED结构中hEvent栏位不需要用来放置一个事件句柄，此栏程序员可自由运用，比如用作回调函数的入口参数。

对文件进行Overlapped I/O的缺点
在Windows NT测试时发现，Windows NT似乎是以“I/O请求”的大小来决定是否进行overlapped I/O。如果数据量较小，系统实际上总是采取非overlapped方式进行文件读取；数据量略大些，采取Overlapped I/O其实比单纯调用ReadFile()并无优越性，相反地，效率降低。如果文件数据量比较大，Overlapped I/O才能凸显其优越性。