异步IO

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异步IO是计算机操作系统对输入输出的一种处理方式:发起IO请求的线程不等IO操作完成,就继续执行随后的代码,IO结果用其他方式通知发起IO请求的程序。与异步IO相对的是更为常见的“同步(阻塞)IO”:发起IO请求的线程不从正在调用的IO操作函数返回(即被阻塞),直至IO操作完成。

类Unix操作系统与POSIX[编辑]

POSIX提供下述API函数:

阻塞 非阻塞
同步 write, read write, read + poll / select
异步 - aio_write, aio_read

Windows操作系统的异步IO[编辑]

Windows提供多种异步IO(也称重叠IO)方式:[1]

设备内核对象[编辑]

IO设备在操作系统内核中表示为内核对象,因此具有可等待(waitable)内核对象状态。例如:文件句柄,线程句柄等等。对于文件内核对象,当一个异步IO完成后,该文件句柄被置为触发态。使用这种方式获取异步IO完成的通知,缺点是如果在一个文件内核对象上同时有多个异步IO操作,只通过文件句柄的触发无法辨识哪个异步IO操作完成了。

例子:

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO
BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作
//SetFileCompletionNotificationModes(hFile, FILE_SKIP_SET_EVENT_ON_HANDLE);//如此设置则文件内核对象就不会被触发
if (rt == FALSE && GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)//检查异步IO是否完成 
{
	WaitForSingleObject(hFile, INFINITE);//等待设备内核对象(文件)被触发。
}
CloseHandle(hFile);

GetOverlappedResult函数[编辑]

也可以使用Windows API函数GetOverlappedResult直接阻塞/非阻塞等待指定的异步IO操作是否完成。[2]该函数检查OVERLAPPED结构中的Internal成员的值是否为STATUS_PENDING来判断异步IO是否完成。

异步IO操作的完成通知用事件内核对象[编辑]

在异步IO操作的read/write函数调用中给出的OVERLAPPED类型的参数中,可以指定一个内核事件对象。这个异步IO操作完成时,这个内核事件对象会被触发。从而,等待在这个事件对象上的程序就会知道这个异步IO操作完成。

例子:

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO
HANDLE hEvent = CreateEvent(0, FALSE, FALSE, NULL);  
ol.hEvent = hEvent;//传递一个事件对象。  

BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作 

if (rt == FALSE && GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)//检查异步IO是否完成 
{
	WaitForSingleObject(ol.hEvent, INFINITE);//等待设备内核对象(文件)被触发。
}
CloseHandle(hEvent); 
CloseHandle(hFile);

可唤醒I/O[编辑]

异步可唤醒I/O操作通过ReadFileEx/WriteFileEx函数指出完成过程回调函数。回调函数在该线程的可唤醒等待(alertable wait)中被执行。

完成端口[编辑]

使用CreateIoCompletionPort函数创建一个完成端口。然后把文件句柄绑定到这个完成端口(通过CreateIoCompletionPort函数)。这个文件句柄上的异步IO操作完成时,会自动向这个完成完成端口发通知。线程通过GetQueuedCompletionStatus函数等待这个完成端口上的完成通知,然后从GetQueuedCompletionStatus的调用返回处恢复线程执行。

线程池I/O完成对象[编辑]

使用CreateThreadpoolIo函数创建一个I/O完成对象,绑定了要执行异步I/O操作的文件句柄与待执行的回调函数。通过StartThreadpoolIo函数开始I/O完成对象的工作。每当绑定的文件句柄上的异步I/O操作完成,自动调用线程池上的线程执行指定的回调函数。

例子:

VOID CALLBACK OverlappedCompletionRoutine(PTP_CALLBACK_INSTANCE pInstance,  
                                          PVOID pvContext,  
                                          PVOID pOverlapped,  
                                          ULONG IoResult,  
                                          ULONG_PTR NumberOfBytesTransferred,  
                                          PTP_IO pIo)  
{  
    printf("OverlappedCompletionRoutine, transferred: %d bytes\n", NumberOfBytesTransferred);  
}  

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED

PTP_IO pio = CreateThreadpoolIo(hFile, OverlappedCompletionRoutine, NULL, NULL);//将设备对象和线程池的IO完成端口关联起来。  
StartThreadpoolIo(pio);
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO   

BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作 
if(rt==FALSE && GetLastError()==ERROR_IO_PENDING))
{  
   ::Sleep(4000); 
   //do somethings... 
}
else
{
   CancelThreadpoolIo(pio); 
}
WaitForThreadpoolIoCallbacks(pio,false);
CloseHandle(hFile); 
CloseThreadpoolIo(pio);//关闭线程池io完成对象

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Description from .NET Framework Developer's Guide
  2. ^ MSDN:GetOverlappedResult function

外部链接[编辑]