Chapter10-“I/O设备的同步和异步”之异步I/O简介

异步I/O基础

       相比于计算机上的其他操作，I/O操作时最慢的最不可预测的操作之一。如果使用同步I/O，虽然方便控制，但是浪费了大量的CPU时间；而异步I/O在一定程度上缓解了这个问题。
       异步I/O就是将I/O请求发送给设备驱动器，让设备驱动器负责实际的I/O操作，当设备驱动器在等待I/O设备相应时，应用程序的线程不用被挂起去等待I/O操作的完成，线程可以跳过等待继续执行其他任务。异步I/O的关键就是将所有的I/O请求队列化，然后以异步的方式执行I/O操作，在I/O操作完成之后再通知相应的程序。
       如果编程使用异步I/O操作？首先，你在使用CreateFile函数打开或创建设备时，需要在dwFlagsAndAttributes参数指定FILE_FLAG_OVERLAPPED标志；然后在ReadFile或WriteFile函数的最后一个参数pOverlapped传入指定OVERLAPPED结构体。

OVERLAPPED结构体

       结构体原型：

typedef struct _OVERLAPPED {
	DWORD Internal; // [out] Error code
	DWORD InternalHigh; // [out] Number of bytes transferred
	DWORD Offset; // [in] Low 32-bit file offset
	DWORD OffsetHigh; // [in] High 32-bit file offset
	HANDLE hEvent; // [in] Event handle or data
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

       结构体的三个成员——Offset,OffsetHigh,hEvent——需要在调用CreateFile或ReadFile函数之前进行初始化的，而其他两个成员——Internal，InternalHigh——是执行I/O操作完成后设备驱动器负责设置的。

       Offset &OffsetHigh：当一个文件被访问时，这两个成员组成一个64位的偏移量。请注意与同步I/O的不同，同步I/O时每个文件句柄都有一个与之对应的文件指针，标记每次文件读写的起始位置。而异步I/O由于其异步性，不能保证每次操作的顺序，如果不将每次读写的位置指定好，那么将会导致读写位置不确定，读写的内容也可能不是想到的。所以在异步I/O操作时，文件指针是直接被忽略的。

       hEvent：事件句柄它记录了当I/O操作完成事通知的对象。具体的使用请看下面的”触发一个事件内核对象”。

       Internal：这个成员标记了I/O操作处理过程中的错误码。当引发一个异步I/O请求时，设备将Internal置为STATUS_PENDING,表示没有错误出现(因为I/O操作还没开始)。事实上，WinBase.h中的宏HasOverlappedIoCompleted可以检测异步I/O操作是否完成，如果I/O请求没有完成，就返回FALSE.如果I/O操作完成则返回TRUE,宏定义如下：
                      #define HasOverlappedIoCompleted(pOverlapped) \
                                           ((pOverlapped)->Internal !=STATUS_PENDING)

       InternalHigh：这个值，在I/O操作完成时，记录I/O操作的字节数。

 

 

异步I/O警告

       对于异步I/O操作,有几点你需要注意:

       第一：I/O设备驱动器对于队列化的I/O请求不一定要按照First-in First-out的顺序处理。

       第二：很有必要对异步I/O用合适的方式进行错误检测。

       第三：启用异步I/O请求的数据缓存区(data buffer)和OVERLAPPED结构体，不能在I/O请求完成之前被移动或销毁。因为当设备驱动器队列化I/O请求时，会记录数据缓冲区或OVERLAPPED结构体的地址(注意是地址，而不是内容，因为复制内容代价太高),所以如果你移动或销毁其内容，后果不堪设想。

      上面的第三点非常重要，请看下面的代码：

VOID ReadData(HANDLE hFile) { 
	OVERLAPPED o = { 0 }; 
	BYTE b[100]; 
	ReadFile(hFile, b, 100, NULL, &o); 
}

       咋一看，你可能觉得上面的代码No problem。但是对照上面的第三点注意事项你就会发现不对，在ReadData函数体内，OVERLAPPED结构体或数据缓冲区b[100]都是分配在函数的stack里，当函数返回后这些数据都会被释放，而I/O操作时异步的，在函数退出后执行异步I/O操作时发现指针指向数据缓冲区和OVERLAPPED结构体的内容已经无效了，这显然就会出错。

 

 

取消队列化的I/O请求

       有时,你可能需要在设备驱动器处理I/O请求之前取消某个已经队列化的I/O请求,Windows提供了几种取消的方式:

1)       调用CancelIo函数取消特定句柄相关的所有队列化的I/O请求.
           BOOL CancelIo(HANDLE hFile)

2)       你可以通过关闭设备本身来取消所有的I/O请求，不管哪个线程管理这些请求.

3)       当一个线程消亡时,系统会自动取消该线程的所有I/O请求(除了那些已经绑定到相应的I/O端口)。

4)       还可以调用CancelIoEx函数取消给定句柄发起的一个单独的特定的I/O请求。CancelIoEx函数原型：
           BOOL CancelIoEx(HANDLE hFile, LPOVERLAPPED pOverlapped)。

值得注意的是:由于每次异步I/O都要指定一个OVERLAPPED结构体，所以每次调用CancelIoEx函数将取消一个I/O请求，但是如果pOverlapped为NULL，那个该函数就会取消hFile句柄相关的所有的异步I/O请求。