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
1、創(chuàng)建完成端口
2、完成端口線程的工作原理
3、 線程間數(shù)據(jù)傳遞
4、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，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)用了某個函數(shù)（比如ReadFile）就立刻返回做自己的其他動作的時候，同時系統(tǒng)也在對I/0設(shè)備進(jìn)行你要求的操作，在這段時間內(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，同時可以根據(jù)CPU的個數(shù)靈活的決定線程個數(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,否則請賦一個有效的Event句柄
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;
下面是異步方式使用ReadFile的一個例子
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
1、創(chuàng)建完成端口
完成端口是一個內(nèi)核對象，使用時他總是要和至少一個有效的設(shè)備句柄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成端口是一個復(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)到一個有效的設(shè)備句柄
2） CompletionKey是一個可以自己定義的參數(shù)，我們可以把一個結(jié)構(gòu)的地址賦給它，然后在合適的時候取出來使用，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運(yùn)行的的線程的最大個數(shù)。通常我們指定為0，這樣系統(tǒng)會根據(jù)CPU的個數(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)錄加入到這個完成端口的設(shè)備列表中。如果你有多個完成端口，就會有多個對應(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。
2、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
);
這個函數(shù)試圖從指定的完成端口的I/0完成隊列中抽取紀(jì)錄。只有當(dāng)重疊I/O動作完成的時候，完成隊列中才有紀(jì)錄。凡是調(diào)用這個函數(shù)的線程將被放入到完成端口的等待線程隊列中，因此完成端口就可以在自己的線程池中幫助我們維護(hù)這個線程。
完成端口的I/0完成隊列中存放了當(dāng)重疊I/0完成的結(jié)果---- 一條紀(jì)錄，該紀(jì)錄擁有四個字段，前三項就對應(yīng)GetQueuedCompletionStatus函數(shù)的2、3、4參數(shù)，最后一個字段是錯誤信息dwError。我們也可以通過調(diào)用PostQueudCompletionStatus模擬完成了一個重疊I/0操作。
當(dāng)I/0完成隊列中出現(xiàn)了紀(jì)錄，完成端口將會檢查等待線程隊列，該隊列中的線程都是通過調(diào)用GetQueuedCompletionStatus函數(shù)使自己加入隊列的。等待線程隊列很簡單，只是保存了這些線程的ID。完成端口會按照后進(jìn)先出的原則將一個線程隊列的ID放入到釋放線程列表中，同時該線程將從等待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。
3、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)變量的第一個成員，然后傳遞第一個成員變量的地址給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，我們可以獲取到第一個成員變量的地址，然后一個簡單的強(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，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。
4、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，里面包含一個狀態(tài)變量，當(dāng)狀態(tài)變量為退出標(biāo)志時，線程就執(zhí)行清除動作然后退出。