Windows完成端口編程


目錄
一 基本概念
二 OVERLAPPED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
三 完成端口的內(nèi)部機(jī)制
創(chuàng)建完成端口
完成端口線程的工作原理
線程間數(shù)據(jù)傳遞
線程的安全退出

一 基本概念
?????? 設(shè)備---windows操作系統(tǒng)上允許通信的任何東西，比如文件、目錄、串行口、并行

口、郵件槽、命名管道、無名管道、套接字、控制臺、邏輯磁盤、物理磁盤等。絕大多數(shù)

與設(shè)備打交道的函數(shù)都是CreateFile/ReadFile/WriteFile等。所以我們不能看到**File函

數(shù)就只想到文件設(shè)備。

?????? 與設(shè)備通信有兩種方式，同步方式和異步方式。同步方式下，當(dāng)調(diào)用ReadFile函數(shù)

時(shí)，函數(shù)會等待系統(tǒng)執(zhí)行完所要求的工作，然后才返回；異步方式下，ReadFile這類函數(shù)

會直接返回，系統(tǒng)自己去完成對設(shè)備的操作，然后以某種方式通知完成操作。

?????? 重疊I/O----顧名思義，當(dāng)你調(diào)用了某個(gè)函數(shù)（比如ReadFile）就立刻返回做自己

的其他動作的時(shí)候，同時(shí)系統(tǒng)也在對I/0設(shè)備進(jìn)行你要求的操作，在這段時(shí)間內(nèi)你的程序和

系統(tǒng)的內(nèi)部動作是重疊的，因此有更好的性能。所以，重疊I/O是用于異步方式下使用I/O

設(shè)備的。

重疊I/O需要使用的一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OVERLAPPED。

?????? 完成端口---是一種WINDOWS內(nèi)核對象。完成端口用于異步方式的重疊I/0情況下，

當(dāng)然重疊I/O不一定非使用完成端口不可，還有設(shè)備內(nèi)核對象、事件對象、告警I/0等。但

是完成端口內(nèi)部提供了線程池的管理，可以避免反復(fù)創(chuàng)建線程的開銷，同時(shí)可以根據(jù)CPU的

個(gè)數(shù)靈活的決定線程個(gè)數(shù)，而且可以讓減少線程調(diào)度的次數(shù)從而提高性能。


二 OVERLAPPED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef struct _OVERLAPPED {

????ULONG_PTR Internal;//被系統(tǒng)內(nèi)部賦值，用來表示系統(tǒng)狀態(tài)

????ULONG_PTR InternalHigh;// 被系統(tǒng)內(nèi)部賦值，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)

????union {

????????struct {

????????????DWORD Offset;//和OffsetHigh合成一個(gè)64位的整數(shù)，用來表示從文件頭部的

多少字節(jié)開始

????????????DWORD OffsetHigh;//操作，如果不是對文件I/O來操作，則必須設(shè)定為0

????????};

????????PVOID Pointer;

????};

????HANDLE??hEvent;//如果不使用，就務(wù)必設(shè)為0,否則請賦一個(gè)有效的Event句柄

} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;


下面是異步方式使用ReadFile的一個(gè)例子

OVERLAPPED Overlapped;

Overlapped.Offset=345;

Overlapped.OffsetHigh=0;

Overlapped.hEvent=0;

//假定其他參數(shù)都已經(jīng)被初始化

ReadFile(hFile,buffer,sizeof(buffer),&dwNumBytesRead,&Overlapped);

這樣就完成了異步方式讀文件的操作，然后ReadFile函數(shù)返回，由操作系統(tǒng)做自己的事情

吧

下面介紹幾個(gè)與OVERLAPPED結(jié)構(gòu)相關(guān)的函數(shù)

等待重疊I/0操作完成的函數(shù)

BOOL GetOverlappedResult (

HANDLE hFile,

LPOVERLAPPED lpOverlapped,//接受返回的重疊I/0結(jié)構(gòu)

LPDWORD lpcbTransfer,//成功傳輸了多少字節(jié)數(shù)

BOOL fWait //TRUE只有當(dāng)操作完成才返回，F(xiàn)ALSE直接返回，如果操作沒有完成，通過

調(diào)//用GetLastError ( )函數(shù)會返回ERROR_IO_INCOMPLETE

);

宏HasOverlappedIoCompleted可以幫助我們測試重疊I/0操作是否完成，該宏對OVERLAPPED

結(jié)構(gòu)的Internal成員進(jìn)行了測試，查看是否等于STATUS_PENDING值。

三 完成端口的內(nèi)部機(jī)制
創(chuàng)建完成端口

?????? 完成端口是一個(gè)內(nèi)核對象，使用時(shí)他總是要和至少一個(gè)有效的設(shè)備句柄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，

完成端口是一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)核對象，創(chuàng)建它的函數(shù)是：

HANDLE CreateIoCompletionPort(

????IN HANDLE FileHandle,

????IN HANDLE ExistingCompletionPort,

????IN ULONG_PTR CompletionKey,

????IN DWORD NumberOfConcurrentThreads

????);

通常創(chuàng)建工作分兩步：

第一步，創(chuàng)建一個(gè)新的完成端口內(nèi)核對象，可以使用下面的函數(shù)：

?????? HANDLE CreateNewCompletionPort(DWORD dwNumberOfThreads)

{

??????????return CreateIoCompletionPort

(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,NULL,dwNumberOfThreads);

};

第二步，將剛創(chuàng)建的完成端口和一個(gè)有效的設(shè)備句柄關(guān)聯(lián)起來，可以使用下面的函數(shù)：

?????? bool AssicoateDeviceWithCompletionPort(HANDLE hCompPort,HANDLE

hDevice,DWORD dwCompKey)

{

??????????HANDLE h=CreateIoCompletionPort(hDevice,hCompPort,dwCompKey,0);

??????????return h==hCompPort;

};

說明

1）??CreateIoCompletionPort函數(shù)也可以一次性的既創(chuàng)建完成端口對象，又關(guān)聯(lián)到一個(gè)有

效的設(shè)備句柄

2）??CompletionKey是一個(gè)可以自己定義的參數(shù)，我們可以把一個(gè)結(jié)構(gòu)的地址賦給它，然

后在合適的時(shí)候取出來使用，最好要保證結(jié)構(gòu)里面的內(nèi)存不是分配在棧上，除非你有十分

的把握內(nèi)存會保留到你要使用的那一刻。

3）??NumberOfConcurrentThreads通常用來指定要允許同時(shí)運(yùn)行的的線程的最大個(gè)數(shù)。通

常我們指定為0，這樣系統(tǒng)會根據(jù)CPU的個(gè)數(shù)來自動確定。

創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)的動作完成后，系統(tǒng)會將完成端口關(guān)聯(lián)的設(shè)備句柄、完成鍵作為一條紀(jì)錄加入

到這個(gè)完成端口的設(shè)備列表中。如果你有多個(gè)完成端口，就會有多個(gè)對應(yīng)的設(shè)備列表。如

果設(shè)備句柄被關(guān)閉，則表中自動刪除該紀(jì)錄。


完成端口線程的工作原理

?????? 完成端口可以幫助我們管理線程池，但是線程池中的線程需要我們使用

_beginthreadex來創(chuàng)建，憑什么通知完成端口管理我們的新線程呢？答案在函數(shù)

GetQueuedCompletionStatus。該函數(shù)原型：



BOOL GetQueuedCompletionStatus(

????IN??HANDLE CompletionPort,

????OUT LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,

????OUT PULONG_PTR lpCompletionKey,

????OUT LPOVERLAPPED *lpOverlapped,

????IN??DWORD dwMilliseconds

);


這個(gè)函數(shù)試圖從指定的完成端口的I/0完成隊(duì)列中抽取紀(jì)錄。只有當(dāng)重疊I/O動作完成的時(shí)

候，完成隊(duì)列中才有紀(jì)錄。凡是調(diào)用這個(gè)函數(shù)的線程將被放入到完成端口的等待線程隊(duì)列

中，因此完成端口就可以在自己的線程池中幫助我們維護(hù)這個(gè)線程。

完成端口的I/0完成隊(duì)列中存放了當(dāng)重疊I/0完成的結(jié)果---- 一條紀(jì)錄，該紀(jì)錄擁有四個(gè)字

段，前三項(xiàng)就對應(yīng)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)的2、3、4參數(shù)，最后一個(gè)字段是錯(cuò)誤

信息dwError。我們也可以通過調(diào)用PostQueudCompletionStatus模擬完成了一個(gè)重疊I/0操

作。

當(dāng)I/0完成隊(duì)列中出現(xiàn)了紀(jì)錄，完成端口將會檢查等待線程隊(duì)列，該隊(duì)列中的線程都是通過

調(diào)用GetQueuedCompletionStatus函數(shù)使自己加入隊(duì)列的。等待線程隊(duì)列很簡單，只是保存

了這些線程的ID。完成端口會按照后進(jìn)先出的原則將一個(gè)線程隊(duì)列的ID放入到釋放線程列

表中，同時(shí)該線程將從等待GetQueuedCompletionStatus函數(shù)返回的睡眠狀態(tài)中變?yōu)榭烧{(diào)度

狀態(tài)等待CPU的調(diào)度。

基本上情況就是如此，所以我們的線程要想成為完成端口管理的線程，就必須要調(diào)用

GetQueuedCompletionStatus函數(shù)。出于性能的優(yōu)化，實(shí)際上完成端口還維護(hù)了一個(gè)暫停線

程列表，具體細(xì)節(jié)可以參考《Windows高級編程指南》，我們現(xiàn)在知道的知識，已經(jīng)足夠了

。

線程間數(shù)據(jù)傳遞

?????? 線程間傳遞數(shù)據(jù)最常用的辦法是在_beginthreadex函數(shù)中將參數(shù)傳遞給線程函數(shù)，

或者使用全局變量。但是完成端口還有自己的傳遞數(shù)據(jù)的方法，答案就在于CompletionKey

和OVERLAPPED參數(shù)。

CompletionKey被保存在完成端口的設(shè)備表中，是和設(shè)備句柄一一對應(yīng)的，我們可以將與設(shè)

備句柄相關(guān)的數(shù)據(jù)保存到CompletionKey中，或者將CompletionKey表示為結(jié)構(gòu)指針，這樣

就可以傳遞更加豐富的內(nèi)容。這些內(nèi)容只能在一開始關(guān)聯(lián)完成端口和設(shè)備句柄的時(shí)候做，

因此不能在以后動態(tài)改變。

OVERLAPPED參數(shù)是在每次調(diào)用ReadFile這樣的支持重疊I/0的函數(shù)時(shí)傳遞給完成端口的。我

們可以看到，如果我們不是對文件設(shè)備做操作，該結(jié)構(gòu)的成員變量就對我們幾乎毫無作用

。我們需要附加信息，可以創(chuàng)建自己的結(jié)構(gòu)，然后將OVERLAPPED結(jié)構(gòu)變量作為我們結(jié)構(gòu)變

量的第一個(gè)成員，然后傳遞第一個(gè)成員變量的地址給ReadFile函數(shù)。因?yàn)轭愋推ヅ洌?dāng)然

可以通過編譯。當(dāng)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)返回時(shí)，我們可以獲取到第一個(gè)成員變

量的地址，然后一個(gè)簡單的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，我們就可以把它當(dāng)作完整的自定義結(jié)構(gòu)的指針使用

，這樣就可以傳遞很多附加的數(shù)據(jù)了。太好了！只有一點(diǎn)要注意，如果跨線程傳遞，請注

意將數(shù)據(jù)分配到堆上，并且接收端應(yīng)該將數(shù)據(jù)用完后釋放。我們通常需要將ReadFile這樣

的異步函數(shù)的所需要的緩沖區(qū)放到我們自定義的結(jié)構(gòu)中，這樣當(dāng)

GetQueuedCompletionStatus被返回時(shí)，我們的自定義結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)變量中就存放了I/0操

作的數(shù)據(jù)。

CompletionKey和OVERLAPPED參數(shù)，都可以通過GetQueuedCompletionStatus函數(shù)獲得。

線程的安全退出

?????? 很多線程為了不止一次的執(zhí)行異步數(shù)據(jù)處理，需要使用如下語句

while (true)

{

?????? .。。。。。。

?????? GetQueuedCompletionStatus(...);



??????????????。。。。。。

}

那么如何退出呢，答案就在于上面曾提到的PostQueudCompletionStatus函數(shù)，我們可以用

它發(fā)送一個(gè)自定義的包含了OVERLAPPED成員變量的結(jié)構(gòu)地址，里面包含一個(gè)狀態(tài)變量，當(dāng)

狀態(tài)變量為退出標(biāo)志時(shí)，線程就執(zhí)行清除動作然后退出。





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作者:hurtmanzc(馬踏飛燕 )