异步IO、APC、IO完成端口、线程池与高性能服务器 (一)

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原作者姓名 Fang(fangguicheng@21cn.com)

正文
异步IO、APC、IO完成端口、线程池与高性能服务器之一 异步IO

背景：轮询 PIO DMA 中断

    早期IO设备的速度与CPU相比，还不是太悬殊。CPU定时轮询一遍IO设备，看看有无处理要求，有则加以处理，完成后返回继续工作。至今，软盘驱动器还保留着这种轮询工作方式。
    随着CPU性能的迅速提高，这种效率低下的工作方式浪费了大量的CPU时间。因此，中断工作方式开始成为普遍采用的技术。这种技术使得IO设备在需要得到服务时，能够产生一个硬件中断，迫使CPU放弃目前的处理任务，进入特定的中断服务过程，中断服务完成后，再继续原先的处理。这样一来，IO设备和CPU可以同时进行处理，从而避免了CPU等待IO完成。
    早期数据的传输方式主要是PIO（程控IO）方式。通过对IO地址编程方式的方式来传输数据。比如串行口，软件每次往串行口上写一个字节数据，串口设备完成传输任务后，将会产生一个中断，然后软件再次重复直到全部数据发送完成。性能更好的硬件设备提供一个FIFO（先进先出缓冲部件），可以让软件一次传输更多的字节。
    显然，使用PIO方式对于高速IO设备来说，还是占用了太多的CPU时间（因为需要通过CPU编程控制传输）。而DMA（直接内存访问）方式能够极大地减少CPU处理时间。CPU仅需告诉DMA控制器数据块的起始地址和大小，以后DMA控制器就可以自行在内存和设备之间传输数据，其间CPU可以处理其他任务。数据传输完毕后将会产生一个中断。

同步文件IO和异步文件IO

下面摘抄于MSDN《synchronous file I/O and asynchronous file I/O》。
有两种类型的文件IO同步：同步文件IO和异步文件IO。异步文件IO也就是重叠IO。
在同步文件IO中，线程启动一个IO操作然后就立即进入等待状态，直到IO操作完成后才醒来继续执行。而异步文件IO方式中，线程发送一个IO请求到内核，然后继续处理其他的事情，内核完成IO请求后，将会通知线程IO操作完成了。


    如果IO请求需要大量时间执行的话，异步文件IO方式可以显著提高效率，因为在线程等待的这段时间内，CPU将会调度其他线程进行执行，如果没有其他线程需要执行的话，这段时间将会浪费掉（可能会调度操作系统的零页线程）。如果IO请求操作很快，用异步IO方式反而还低效，还不如用同步IO方式。
    同步IO在同一时刻只允许一个IO操作，也就是说对于同一个文件句柄的IO操作是序列化的，即使使用两个线程也不能同时对同一个文件句柄同时发出读写操作。重叠IO允许一个或多个线程同时发出IO请求。
    异步IO在请求完成时，通过将文件句柄设为有信号状态来通知应用程序，或者应用程序通过GetOverlappedResult察看IO请求是否完成，也可以通过一个事件对象来通知应用程序。

参考书目

1，    MSDN Library
2，    《Windows高级编程指南》
3，    《Windows核心编程》
4，    《Windows 2000 设备驱动程序设计指南》