Windows完成端口编程

 

目录
一 基本概念
二 OVERLAPPED数据结构
三 完成端口的内部机制
创建完成端口
完成端口线程的工作原理
线程间数据传递
线程的安全退出

一 基本概念
       设备---windows操作系统上允许通信的任何东西，比如文件、目录、串行口、并行口、邮件槽、命名管道、无名管道、套接字、控制台、逻辑磁盘、物理磁盘等。绝大多数与设备打交道的函数都是CreateFile/ReadFile/WriteFile等。所以我们不能看到**File函数就只想到文件设备。

       与设备通信有两种方式，同步方式和异步方式。同步方式下，当调用ReadFile函数时，函数会等待系统执行完所要求的工作，然后才返回；异步方式下，ReadFile这类函数会直接返回，系统自己去完成对设备的操作，然后以某种方式通知完成操作。

       重叠I/O----顾名思义，当你调用了某个函数（比如ReadFile）就立刻返回做自己的其他动作的时候，同时系统也在对I/0设备进行你要求的操作，在这段时间内你的程序和系统的内部动作是重叠的，因此有更好的性能。所以，重叠I/O是用于异步方式下使用I/O设备的。

重叠I/O需要使用的一个非常重要的数据结构OVERLAPPED。

       完成端口---是一种WINDOWS内核对象。完成端口用于异步方式的重叠I/0情况下，当然重叠I/O不一定非使用完成端口不可，还有设备内核对象、事件对象、告警I/0等。但是完成端口内部提供了线程池的管理，可以避免反复创建线程的开销，同时可以根据CPU的个数灵活的决定线程个数，而且可以让减少线程调度的次数从而提高性能。

二 OVERLAPPED数据结构
typedef struct _OVERLAPPED {

    ULONG_PTR Internal;//被系统内部赋值，用来表示系统状态

    ULONG_PTR InternalHigh;// 被系统内部赋值，传输的字节数

    union {
        struct {
            DWORD Offset;//和OffsetHigh合成一个64位的整数，用来表示从文件头部的多少字节开始

            DWORD OffsetHigh;//操作，如果不是对文件I/O来操作，则必须设定为0
        };

        PVOID Pointer;

    };

    HANDLE  hEvent;//如果不使用，就务必设为0,否则请赋一个有效的Event句柄

} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

下面是异步方式使用ReadFile的一个例子

OVERLAPPED Overlapped;

Overlapped.Offset=345;

Overlapped.OffsetHigh=0;

Overlapped.hEvent=0;

//假定其他参数都已经被初始化

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

这样就完成了异步方式读文件的操作，然后ReadFile函数返回，由操作系统做自己的事情吧

下面介绍几个与OVERLAPPED结构相关的函数

等待重叠I/0操作完成的函数

BOOL GetOverlappedResult (

HANDLE hFile,

LPOVERLAPPED lpOverlapped,//接受返回的重叠I/0结构

LPDWORD lpcbTransfer,//成功传输了多少字节数

BOOL fWait //TRUE只有当操作完成才返回，FALSE直接返回，如果操作没有完成，通过调//用GetLastError ( )函数会返回ERROR_IO_INCOMPLETE

);

宏HasOverlappedIoCompleted可以帮助我们测试重叠I/0操作是否完成，该宏对OVERLAPPED结构的Internal成员进行了测试，查看是否等于STATUS_PENDING值。

三完成端口的内部机制
创建完成端口

       完成端口是一个内核对象，使用时他总是要和至少一个有效的设备句柄进行关联，完成端口是一个复杂的内核对象，创建它的函数是：

HANDLE CreateIoCompletionPort(

    IN HANDLE FileHandle,

    IN HANDLE ExistingCompletionPort,

    IN ULONG_PTR CompletionKey,

    IN DWORD NumberOfConcurrentThreads

    );

通常创建工作分两步：

第一步，创建一个新的完成端口内核对象，可以使用下面的函数：

       HANDLE CreateNewCompletionPort(DWORD dwNumberOfThreads)

{

          return CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,NULL,dwNumberOfThreads);

};

第二步，将刚创建的完成端口和一个有效的设备句柄关联起来，可以使用下面的函数：

       bool AssicoateDeviceWithCompletionPort(HANDLE hCompPort,HANDLE hDevice,DWORD dwCompKey)

{

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

          return h==hCompPort;

};

说明

1）  CreateIoCompletionPort函数也可以一次性的既创建完成端口对象，又关联到一个有效的设备句柄

2）  CompletionKey是一个可以自己定义的参数，我们可以把一个结构的地址赋给它，然后在合适的时候取出来使用，最好要保证结构里面的内存不是分配在栈上，除非你有十分的把握内存会保留到你要使用的那一刻。

3）  NumberOfConcurrentThreads通常用来指定要允许同时运行的的线程的最大个数。通常我们指定为0，这样系统会根据CPU的个数来自动确定。

创建和关联的动作完成后，系统会将完成端口关联的设备句柄、完成键作为一条纪录加入到这个完成端口的设备列表中。如果你有多个完成端口，就会有多个对应的设备列表。如果设备句柄被关闭，则表中自动删除该纪录。

完成端口线程的工作原理

       完成端口可以帮助我们管理线程池，但是线程池中的线程需要我们使用_beginthreadex来创建，凭什么通知完成端口管理我们的新线程呢？答案在函数GetQueuedCompletionStatus。该函数原型：

BOOL GetQueuedCompletionStatus(

    IN  HANDLE CompletionPort,

    OUT LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,

    OUT PULONG_PTR lpCompletionKey,

    OUT LPOVERLAPPED *lpOverlapped,

    IN  DWORD dwMilliseconds

);

这个函数试图从指定的完成端口的I/0完成队列中抽取纪录。只有当重叠I/O动作完成的时候，完成队列中才有纪录。凡是调用这个函数的线程将被放入到完成端口的等待线程队列中，因此完成端口就可以在自己的线程池中帮助我们维护这个线程。

完成端口的I/0完成队列中存放了当重叠I/0完成的结果---- 一条纪录，该纪录拥有四个字段，前三项就对应GetQueuedCompletionStatus函数的2、3、4参数，最后一个字段是错误信息dwError。我们也可以通过调用PostQueudCompletionStatus模拟完成了一个重叠I/0操作。
当I/0完成队列中出现了纪录，完成端口将会检查等待线程队列，该队列中的线程都是通过调用GetQueuedCompletionStatus函数使自己加入队列的。等待线程队列很简单，只是保存了这些线程的ID。完成端口会按照后进先出的原则将一个线程队列的ID放入到释放线程列表中，同时该线程将从等待GetQueuedCompletionStatus函数返回的睡眠状态中变为可调度状态等待CPU的调度。

基本上情况就是如此，所以我们的线程要想成为完成端口管理的线程，就必须要调用

GetQueuedCompletionStatus函数。出于性能的优化，实际上完成端口还维护了一个暂停线程列表，具体细节可以参考《Windows高级编程指南》，我们现在知道的知识，已经足够了。

线程间数据传递

       线程间传递数据最常用的办法是在_beginthreadex函数中将参数传递给线程函数，或者使用全局变量。但是完成端口还有自己的传递数据的方法，答案就在于CompletionKey和OVERLAPPED参数。

CompletionKey被保存在完成端口的设备表中，是和设备句柄一一对应的，我们可以将与设备句柄相关的数据保存到CompletionKey中，或者将CompletionKey表示为结构指针，这样就可以传递更加丰富的内容。这些内容只能在一开始关联完成端口和设备句柄的时候做，因此不能在以后动态改变。

OVERLAPPED参数是在每次调用ReadFile这样的支持重叠I/0的函数时传递给完成端口的。我们可以看到，如果我们不是对文件设备做操作，该结构的成员变量就对我们几乎毫无作用。我们需要附加信息，可以创建自己的结构，然后将OVERLAPPED结构变量作为我们结构变量的第一个成员，然后传递第一个成员变量的地址给ReadFile函数。因为类型匹配，当然可以通过编译。当GetQueuedCompletionStatus函数返回时，我们可以获取到第一个成员变量的地址，然后一个简单的强制转换，我们就可以把它当作完整的自定义结构的指针使用，这样就可以传递很多附加的数据了。太好了！只有一点要注意，如果跨线程传递，请注意将数据分配到堆上，并且接收端应该将数据用完后释放。我们通常需要将ReadFile这样的异步函数的所需要的缓冲区放到我们自定义的结构中，这样当GetQueuedCompletionStatus被返回时，我们的自定义结构的缓冲区变量中就存放了I/0操作的数据。

CompletionKey和OVERLAPPED参数，都可以通过GetQueuedCompletionStatus函数获得。

线程的安全退出

       很多线程为了不止一次的执行异步数据处理，需要使用如下语句

while (true)

{

       .。。。。。。

       GetQueuedCompletionStatus(...);
              。。。。。。

}

那么如何退出呢，答案就在于上面曾提到的PostQueudCompletionStatus函数，我们可以用它发送一个自定义的包含了OVERLAPPED成员变量的结构地址，里面包含一个状态变量，当状态变量为退出标志时，线程就执行清除动作然后退出。