因為I/O異步發(fā)生，就不能確定操作是否按順序完成。因此，這里沒有當前位置的概念。對于文件的操作，總是規(guī)定該偏移量。在數(shù)據(jù)流下（如COM端口或socket），沒有尋找精確偏移量的方法，所以在這些情況中，系統(tǒng)忽略偏移量。這四個字段不應由應用程序直接進行處理或使用，OVERLAPPED結構的最后一個參數(shù)是可選的事件句柄，當I/O完成時，該事件對象受信（signaled）。程序通過等待該對事件對象受信來做善后處理。

設置了OVERLAPPED參數(shù)后，ReadFile()/WriteFile()的調(diào)用會立即返回，這時候你可以去做其他的事（所謂異步），系統(tǒng)會自動替你完成ReadFile()/WriteFile()相關的I/O操作。你也可以同時發(fā)出幾個ReadFile()/WriteFile()的調(diào)用（所謂重疊）。當系統(tǒng)完成I/O操作時，會將OVERLAPPED.hEvent置信，我們可以通過調(diào)用WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects來等待這個I/O完成通知，在得到通知信號后，就可以調(diào)用GetOverlappedResult來查詢I/O操作的結果，并進行相關處理。由此可以看出，OVERLAPPED結構在一個重疊I/O請求的初始化及其后續(xù)的完成之間，提供了一種溝通或通信機制。注意OVERLAPPED結構的生存周期，一般動態(tài)分配，待I/O完成后，回收重疊結構。

以Win32重疊I/O機制為基礎，自WinSock 2發(fā)布開始，重疊I/O便已集成到新的WinSock API中，比如WSARecv()/WSASend()。這樣一來，重疊I/O模型便能適用于安裝了WinSock 2的所有Windows平臺。可以一次投遞一個或多個WinSock I/O請求。針對那些提交的請求，在它們完成之后，應用程序可為它們提供服務（對I/O的數(shù)據(jù)進行處理）。

相應的，要想在一個套接字上使用重疊I/O模型來處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，首先必須使用 WSA_FLAG_OVERLAPPED這個標志來創(chuàng)建一個套接字。如下所示：

SOCKET s = WSASocket(AF_INET, SOCK_STEAM, 0, NULL, 0,  WSA_FLAG_OVERLAPPED);

創(chuàng)建套接字的時候，假如使用的是socket()函數(shù)，而非WSASocket()函數(shù)，那么會默認設置WSA_FLAG_OVERLAPPED標志。成功創(chuàng)建好了一個套接字，將其與一個本地接口綁定到一起后，便可開始進行這個套接字上的重疊I/O操作，方法是調(diào)用下述的WinSock 2函數(shù)，同時為它們指定一個WSAOVERLAPPED結構參數(shù)（#define WSAOVERLAPPED OVERLAPPED// WINSOCK2.H）：

（1）WSASend()

（2）WSASendTo()

（3）WSARecv()

（4）WSARecvFrom()

（5）WSAIoctl()

（6）AcceptEx()

（7）TransmitFile()

若隨一個WSAOVERLAPPED結構一起調(diào)用這些函數(shù)，函數(shù)會立即返回，無論套接字是否設為鎖定模式。它們依賴于WSAOVERLAPPED結構來返回一個I/O請求操作的結果。

比起阻塞、select、WSAAsyncSelect以及WSAEventSelect等模型，WinSock的重疊I/O(Overlapped I/O)模型使應用程序能達到更佳的系統(tǒng)性能。因為它和這4種模型不同的是，使用重疊模型的應用程序通知緩沖區(qū)收發(fā)系統(tǒng)直接使用數(shù)據(jù)。也就是說，如果應用程序投遞了一個10KB大小的緩沖區(qū)來接收數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)已經(jīng)到達套接字，則該數(shù)據(jù)將直接被拷貝到投遞的緩沖區(qū)。而這4種模型中，數(shù)據(jù)到達并拷貝到單套接字接收緩沖區(qū)（Per Socket Buffer）中，此時應用程序會被系統(tǒng)通知可以讀入的字節(jié)數(shù)。當應用程序調(diào)用接收函數(shù)之后，數(shù)據(jù)才從單套接字緩沖區(qū)拷貝到應用程序的緩沖區(qū)。這樣就減少了一次從I/O緩沖區(qū)到應用程序緩沖區(qū)的拷貝，差別就在于此。

實際編程時，可以投遞一個0字節(jié)緩沖區(qū)的WSARecv/WSASend操作，這樣就沒有用戶緩沖區(qū)與I/O操作相關聯(lián)，避免了用戶緩沖區(qū)的鎖定（過多的鎖定可能導致非分頁內(nèi)存池耗盡，即WSAENOBUFS），應用程序繞開單套接字緩沖區(qū)而直接與TCP Stack進行數(shù)據(jù)交互，從而避免了內(nèi)存拷貝。當然，只要投遞了足夠多的重疊發(fā)送/接收操作，就能避免額外的內(nèi)存拷貝，這時將單套接字緩沖區(qū)設置為0并不能提升性能。因為應用程序的發(fā)送緩沖區(qū)將始終被鎖定直到可以下傳給TCP，所以停用套接字的發(fā)送緩沖區(qū)對性能的影響比停用接收緩沖區(qū)小。然而，如果接收緩沖區(qū)被設置為0，而又未投遞重疊接收操作，則進來的數(shù)據(jù)都只能停留在TCP Stack中，而TCP驅(qū)動程序的緩沖區(qū)最多只能接收窗口大小。TCP緩沖區(qū)被定位在非分頁內(nèi)存池中，假如很多連接發(fā)數(shù)據(jù)過來，但我們根本沒有投遞接收操作，則將消耗大量的非分頁內(nèi)存池。非分頁內(nèi)存池是一種有限的資源，過多的鎖定可能導致非分頁內(nèi)存池耗盡，即WSAENOBUFS。

在Windows NT和Windows 2000中，重疊I/O模型也允許應用程序以一種重疊方式實現(xiàn)對套接字連接的處理。具體的做法是在監(jiān)聽套接字上調(diào)用AcceptEx函數(shù)。AcceptEx是一個特殊的WinSock擴展函數(shù)，由mswsock.dll實現(xiàn)，使用時需包含Mswsock.h頭文件，鏈接Mswsock.lib庫文件。該函數(shù)最初的設計宗旨是在Windows NT與Windows 2000操作系統(tǒng)上使用Win 32的重疊I/O機制。但事實上，它也適用于WinSock 2中的重疊I/O。AcceptEx的定義如下：

// MSWSOCK.H

AcceptEx(

       IN SOCKET sListenSocket,

       IN SOCKET sAcceptSocket,

       IN PVOID lpOutputBuffer,

       IN DWORD dwReceiveDataLength,

       IN DWORD dwLocalAddressLength,

       IN DWORD dwRemoteAddressLength,

       OUT LPDWORD lpdwBytesReceived,

       IN LPOVERLAPPED lpOverlapped);

參數(shù)一sListenSocket參數(shù)指定的是一個監(jiān)聽套接字。

參數(shù)二sAcceptSocket參數(shù)指定的是另一個套接字，負責對進入連接請求的“接受”。 AcceptEx()函數(shù)和accept()函數(shù)的區(qū)別在于，我們必須提供接受的套接字，而不是讓函數(shù)自動為我們創(chuàng)建。正是由于要提供套接字，所以要求我們事先調(diào)用socket()或WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建一個套接字，以便通過sAcceptSocket參數(shù)，將其傳遞給AcceptEx()。

參數(shù)三lpOutputBuffer指定的是一個特殊的緩沖區(qū)，因為它要負責三種數(shù)據(jù)的接收：服務器的本地地址，客戶機的遠程地址，以及在新建連接上接收的第一個數(shù)據(jù)塊。存儲順序是：接收到的數(shù)據(jù)塊→本地地址→遠程地址。

參數(shù)四dwReceiveDataLength以字節(jié)為單位，指定了在lpOutputBuffer緩沖區(qū)開頭保留多大的空間，用于數(shù)據(jù)的接收。如這個參數(shù)設為0，那么只接受連接，不伴隨接收數(shù)據(jù)。

參數(shù)五dwLocalAddressLength和參數(shù)六dwRemoteAddressLength也是以字節(jié)為單位，指定在lpOutputBuffer緩沖區(qū)中，保留多大的空間，在一個套接字被接受的時候，用于本地和遠程地址信息的保存。要注意的是，和當前采用的傳送協(xié)議允許的最大地址長度比較起來，這里指定的緩沖區(qū)大小至少應多出16字節(jié)。舉個例子來說，假定正在使用的是TCP/IP協(xié)議，那么這里的大小應設為“SOCKADDR_IN結構的長度＋16字節(jié)”。

參數(shù)七lpdwBytesReceived參數(shù)用于返回接收到的實際數(shù)據(jù)量，以字節(jié)為單位。只有在操作以同步方式完成的前提下，才會設置這個參數(shù)。假如AcceptEx()函數(shù)返回ERROR_IO_PENDING，那么這個參數(shù)永遠都不會設置，我們必須利用完成事件通知機制，獲知實際讀取的字節(jié)量。

最后一個參數(shù)是lpOverlapped，它對應的是一個OVERLAPPED結構，允許AcceptEx()以一種異步方式工作。如我們早先所述，只有在一個重疊I/O應用中，該函數(shù)才需要使用事件對象通知機制（hEvent字段），這是由于此時沒有一個完成例程參數(shù)可供使用。

二．獲取重疊I/O操作完成結果

當異步I/O請求掛起后，最終要知道I/O操作是否完成。一個重疊I/O請求最終完成后，應用程序要負責讀取重疊I/O操作的結果。對于讀，直到I/O完成，接收緩沖器才有效（參考IRP緩沖區(qū)管理）。對于寫，要知道寫是否成功，有幾種方法可以做到這點，最直接的方法是調(diào)用(WSA)GetOverlappedResult，其函數(shù)原型如下：

WINBASEAPI BOOL WINAPI

GetOverlappedResult(

HANDLE hFile,

LPOVERLAPPED lpOverlapped,

LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,

BOOL bWait);

BOOL WSAAPI WSAGetOverlappedResult(

SOCKET s,

LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,

LPDWORD lpcbTransfer,

BOOL fWait,

LPDWORD lpdwFlags);

參數(shù)一為的文件/套接字句柄。

參數(shù)二為參數(shù)一關聯(lián)的(WSA) OVERLAPPED結構，在調(diào)用CreateFile()、WSASocket()或AcceptEx()時指定。

參數(shù)三指向字節(jié)計數(shù)指針，負責接收一次重疊發(fā)送或接收操作實際傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

參數(shù)四是確定命令是否等待的標志。Wait參數(shù)用于決定函數(shù)是否應該等待一次重疊操作完成。若將Wait設為TRUE，那么直到操作完成函數(shù)才返回；若設為FALSE，而且操作仍然處于未完成狀態(tài)，那么(WSA)GetOverlappedResult()函數(shù)會返回FALSE值。

如(WSA)GetOverlappedResult()函數(shù)調(diào)用成功，返回值就是TRUE。這意味著我們的重疊I/O操作已成功完成，而且由參數(shù)三BytesTransfered參數(shù)指向的值已進行了更新。若返回值是FALSE，那么可能是由下述任何一種原因造成的：

■ 重疊I/O操作仍處在“待決”狀態(tài)。

■ 重疊操作已經(jīng)完成，但含有錯誤。

■ 重疊操作的完成狀態(tài)不可判決，因為在提供給 WSAGetOverlappedResult函數(shù)的一個或多個參數(shù)中，存在著錯誤。

失敗后，由BytesTransfered參數(shù)指向的值不會進行更新，而且我們的應用程序應調(diào)用(WSA)GetLastError()函數(shù)，檢查到底是何種原因造成了調(diào)用失敗以使用相應容錯處理。如果錯誤碼為SOCKET_ERROR/WSA_IO_INCOMPLETE(Overlapped I/O event is not in a signaled state)或SOCKET_ERROR/WSA_IO_PENDING(Overlapped I/O operation is in progress)，則表明I/O仍在進行。當然，這不是真正錯誤，任何其他錯誤碼則真正表明一個實際錯誤。

下面介紹兩種常用重疊I/O完成通知的方法。

1.使用事件通知

使用(WSA)GetOverlappedResult()是直截了當?shù)模呛现丿BI/O的概念。畢竟，如果要等待I/O，也許使用常規(guī)I/O命令更好。對于大多數(shù)程序，反復檢查I/O是否完成，并非最佳。解決方案之一是使用(WSA)OVERLAPPED結構中的hEvent字段，使應用程序?qū)⒁粋€事件對象句柄同一個文件/套接字關聯(lián)起來。

當指定OVERLAPPED參數(shù)給ReadFile()/WriteFile()或WSARecv()/WSASend()后，可以再為(WSA)OVERLAPPED最后一個參數(shù)提供自定義的事件對象（通過(WSA)CreateEvent()創(chuàng)建）。

當I/O完成時，系統(tǒng)更改(WSA)OVERLAPPED結構對應的事件對象的傳信狀態(tài)，使其從“未傳信”（unsignaled）變成“已傳信”（signaled）。由于我們之前將事件對象分配給了(WSA)OVERLAPPED結構，所以只需簡單地調(diào)用WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects或WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)，從而判斷出一個（一些）重疊I/O在什么時候完成。通過WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects或WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)返回的索引可以知道這個重疊I/O完成事件是在哪個HANDLE（File或Socket）上發(fā)生的。

然后調(diào)用(WSA)GetOverlappedResult()函數(shù)，將發(fā)生事件的HANDLE（FILE或SOCKET）傳給參數(shù)一，將這個HANDLE對應的(WSA)OVERLAPPED結構傳給參數(shù)二，這樣判斷重疊調(diào)用到底是成功還是失敗。如果返回FALSE值，則重疊操作已經(jīng)完成但含有錯誤。或者重疊操作的完成狀態(tài)不可判決，因為在提供給(WSA)GetOverlappedResult()函數(shù)的一個或多個參數(shù)中存在著錯誤。失敗后，由BytesTransfered參數(shù)指向的值不會進行更新，應用程序應調(diào)用(WSA)GetLastError()函數(shù)，調(diào)查到底是何種原因造成了調(diào)用失敗。

若(WSA)GetOverlappedResult()函數(shù)返回TRUE，則根據(jù)先前調(diào)用異步I/O函數(shù)時設置的緩沖區(qū)(ReadFile/WriteFile或WSARecv/WSASend的lpBuffer字段)和BytesTransfered,使用指針偏移定位就可以準確操作接受到的數(shù)據(jù)了。

利用事件對象來完成同步通知的方法比重復調(diào)用(WSA)GetOverlappedResult()浪費處理器時間的方案要高效得多。但WaitForMultipleObjects/WSAaitForMultipleEvent支持的事件對象個數(shù)的上限為MAXIMUM_WAIT_OBJECTS/WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS=64！

2.使用完成例程

對于文件重疊I/O操作，等待I/O操作結束的另外方法是使用ReadFileEx()和WriteFileEx()。這些命令只用于重疊I/O，當為它們的最后一個參數(shù)lpCompletionRoutine傳遞了一個完成例程指針（回調(diào)函數(shù)地址）時，I/O操作結束時將調(diào)用此函數(shù)進行處理。

完成例程指針LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE定義如下：

// WINBASE.H

typedef  VOID (WINAPI *LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE)(

        DWORD dwErrorCode,

        DWORD dwNumberOfBytesTransfered,

        LPOVERLAPPED lpOverlapped );

相應在WinSock 2中，WSARecv()/WSASend()最后一個參數(shù)lpCompletionROUTINE是一個可選的指針，它指向一個完成例程。若指定此參數(shù)（自定義函數(shù)地址），在重疊請求完成后，將調(diào)用完成例程處理。完成例程本質(zhì)上是一種APC（Asynchronous Procedure Calls）。

WinSock 2中完成例程指針LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE定義略有不同：

// WINSOCK2.H

typedef void (CALLBACK * LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE)(

        DWORD dwError,

        DWORD cbTransferred,

        LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,

        DWORD dwFlags );

     前三個參數(shù)同LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE，參數(shù)四一般不用，置0。用完成例程完成一個重疊I/O請求之后，參數(shù)中會包含下述信息：

參數(shù)一dwError表明了一個重疊操作（由lpOverlapped指定）的完成狀態(tài)是什么。

參數(shù)二BytesTransferred參數(shù)指定了在重疊操作實際傳輸?shù)淖止?jié)量是多大。

參數(shù)三lpOverlapped參數(shù)指定的是調(diào)用這個完成例程的異步I/O操作函數(shù)(ReadFileEx()/WriteFileEx()或WSARecv()/WSASend())的(WSA)OVERLAPPED結構參數(shù)。

提交帶有完成例程的重疊I/O請求時，(WSA)OVERLAPPED結構的事件字段hEvent一般不再使用。使用一個含有完成例程指針參數(shù)的異步I/O函數(shù)發(fā)出一個重疊I/O請求之后，一旦重疊I/O操作完成，作為我們的調(diào)用線程，必須能夠通知完成例程指針所指向的自定義函數(shù)開始執(zhí)行，提供數(shù)據(jù)處理服務。這樣一來，便要求將調(diào)用線程置于一種“可警告的等待狀態(tài)”，在I/O操作完成后，能自動調(diào)用完成例程。WSAWaitForMultipleEvents()函數(shù)可用來將線程置于一種可警告的等待狀態(tài)。這樣做的代價是必須創(chuàng)建一個事件對象可用于WSAWaitForMultipleEvents()函數(shù)。假定應用程序只用完成例程對重疊請求進行處理，便不需要引入事件對象。作為一種變通方法，我們的應用程序可用Win32的SleepEx()函數(shù)將自己的線程置為一種可警告的等待狀態(tài)。當然，亦可創(chuàng)建一個偽事件對象，不將它與任何東西關聯(lián)在一起。假如調(diào)用線程經(jīng)常處于繁忙狀態(tài)，而且并不處于一種可警告的等待狀態(tài)，那么完成例程根本不會被通知執(zhí)行。

如前面所述，WSAWaitForMultipleEvents()通常會等待同(WSA)OVERLAPPED結構關聯(lián)在一起的事件對象。該函數(shù)也可用于將我們的線程設置為一種可警告的等待狀態(tài)，為已經(jīng)完成的重疊I/O請求調(diào)用完成例程進行處理（前提是將fAlertable參數(shù)設為TRUE）。使用一個含有完成例程指針的異步I/O函數(shù)提交了重疊I/O請求之后， WSAWaitForMultipleEvents()的期望返回值是WAIT_IO_COMPLETION（One or more I/O completion routines are queued for execution），而不再是事件對象索引。從宏WAIT_IO_COMPLETION的注解可知，它的意思是有完成例程需要執(zhí)行。SleepEx()函數(shù)的行為實際上和WSAWaitForMultipleEvents()差不多，只是它不需要任何事件對象。對SleepEx函數(shù)的定義如下：

WINBASEAPI DWORD WINAPI

SleepEx(

    DWORD dwMilliseconds,

    BOOL bAlertable );

其中，dwMilliseconds參數(shù)定義了SleepEx()函數(shù)的等待時間，以毫秒為單位。假如將dwMilliseconds設為INFINITE，那么SleepEx()會無休止地等待下去。bAlertable參數(shù)規(guī)定了一個完成例程的執(zhí)行方式，若將它設置為FALSE，則使用一個含有完成例程指針的異步I/O函數(shù)提交了重疊I/O請求后，I/O完成例程不會被通知執(zhí)行，而且SleepEx()函數(shù)不會返回，除非超過由dwMilliseconds規(guī)定的時間；若將它設置為TRUE，則完成例程會被通知執(zhí)行，同時SleepEx()函數(shù)返回WAIT_IO_COMPLETION。

在完成例程處理模型中，投遞重疊I/O請求的同時注冊完成例程，待I/O完成時由系統(tǒng)回調(diào)，并克服了事件通知模型的個數(shù)限制。利用完成例程處理重疊I/O的WinSock程序的編寫步驟如下：

(1) 新建一個監(jiān)聽套接字，在指定端口上監(jiān)聽客戶端的連接請求。

(2) 接受一個客戶端的連接請求，并返回一個會話套接字負責與客戶端通信。

(3) 為會話套接字關聯(lián)一個WSAOVERLAPPED結構。

(4) 在套接字上投遞一個異步WSARecv請求，方法是將WSAOVERLAPPED指定成為參數(shù)，同時提供一個完成例程。

(5) 在將fAlertable參數(shù)設為TRUE的前提下，調(diào)用WSAWaitForMultipleEvents，并等待一個重疊I/O請求完成。重疊請求完成后，完成例程會自動執(zhí)行，而且WSAWaitForMultipleEvents會返回一個WAIT_IO_COMPLETION。在完成例程內(nèi)，可隨一個完成例程一道投遞另一個重疊WSARecv請求。

(6) 檢查WSAWaitForMultipleEvents是否返回WAIT_IO_COMPLETION。

(7) 重復步驟(5)和(6)。

當調(diào)用accept處理連接時，一般創(chuàng)建一個AcceptEvent偽事件，當有客戶連接時，需要手動SetEvent(AcceptEvent)；當調(diào)用AcceptEx處理重疊的連接時，一般為ListenSocket創(chuàng)建一個ListenOverlapped結構，并為其指定一個偽事件，當有客戶連接時，系統(tǒng)自動將其置信。這些偽事件的作用在于，當含有完成例程指針的異步I/O操作(如WSARecv)完成時，設置了fAlertable的WSAWaitForMultipleEvents返回WAIT_IO_COMPLETION，并調(diào)用完成例程指針指向的完成例程對數(shù)據(jù)進行處理。

重疊I/O模型的缺點是它一般要為每一個I/O請求都開一個線程，當同時有成千上萬個請求發(fā)生時，系統(tǒng)處理線程上下文切換是非常耗時的。所以這也就引出了更為先進的完成端口模型IOCP，用線程池來解決這個問題。

參考：

《Windows 2000 Systems Programming Black Book》  Al Williams

《Network Programming for Microsoft Windows》  Anthony Jones,Jim Ohlund

本文來自CSDN博客，轉(zhuǎn)載請標明出處：http://blog.csdn.net/phunxm/archive/2009/12/27/5085915.aspx