引言

與計算機執(zhí)行的大多數(shù)其他操作相比，設備I/O是其中 最慢、最不可預測的操作之一。比如CPU從硬盤文件中讀寫、 網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)等，每一線程要等待I/O操作完成再執(zhí)行后續(xù) 的代碼。讓太多或者太少的服務器線程來處理線程，都可能 會導致性能問題。使用異步設備I/O可以將請求交給設備的 驅(qū)動程序去處理，應用程序的線程可以執(zhí)行其他有用的任務。 這樣可以更好地使用資源并創(chuàng)建出更高效的應用程序。

但是，隨著客戶端請求、退出的增加，會有許多的并發(fā) 線程并發(fā)執(zhí)行。由于這些線程都是可運行狀態(tài)，Windows內(nèi) 核會浪費太多時間來進行活動線程的上下文切換，如不斷新 建和銷毀線程。Windows提供了 I/O完成端口機制可以很好 地解決上述問題。

IOCP模型

當我們創(chuàng)建一個I/O完成端口的時候，系統(tǒng)內(nèi)核實際上 會創(chuàng)建5個不同數(shù)據(jù)結構。完成端口會將客戶請求加入到一 個公共的消息隊列中，然后應用程序會創(chuàng)建一個線程池來處 理客戶的請求。當設備與I/O完成端口相關聯(lián)后，系統(tǒng)會檢查 是否有與設備相關的一個I/O端口，若有則會將已完成的I/O 請求追加到消息隊列,并調(diào)用相關的工作線程來處理這個請求。 當這個請求被處理完后，系統(tǒng)會通過一種機制通知客戶，客戶 只需要取處理好的數(shù)據(jù)即可。圖1所示是一個完成端口模型 的結構示意圖。

IOCP模型的使用

在實現(xiàn)異步通信機制的時候，一般要用到一個核心數(shù)據(jù) 結構重疊(OVERLAPPED)結構。OVERLAPPED結構定義

如下：

typedef struct _OVERLAPPED

{

DWORD Internal ；//［out］保存已處理的I/O請求的錯誤碼 DWORD InternalHigh ； //［out］異步I/O完成保存已傳輸?shù)淖?節(jié)數(shù)

DWORD Offset ； //［int］文件傳送的字節(jié)偏移量的低位字 DWORD OffsetHigh ;//［int］文件傳送的字節(jié)偏移量的高位字 HANDLE hEvent ； //［in］指定一個I/O操作完成后觸發(fā)的事件 ［OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED ；

OVERLAPPED結構執(zhí)行兩個重要的功能：第一，它像 一把鑰匙，用以識別每一個目前正在進行的overlapped操 作，比如在網(wǎng)絡發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，都會用到WSASend()和 WSARecv。函數(shù)，參數(shù)里面都會附帶一個重疊結構，這個重 疊結構我們可以理解為一個網(wǎng)絡操作的ID號，通過這個ID 號就可以區(qū)分是對哪個網(wǎng)絡進行操作了；第二，它在你和系統(tǒng) 之間提供了一個共享區(qū)域，參數(shù)可以在該區(qū)域中雙向傳遞。

2.1創(chuàng)建I/O完成端口

_inHANDLEFileHandle,

_in_optHANDLEExistingCompletionPort,

_inULONG_PTRCompletionKey,

_inDWORDNumberOfConcurrentThreads);

PULONG_PTRlpCompletionKey,//當文件I/O操作完成后，用于存放與之關聯(lián)的CK（套接字信息結構體指針）

LPOVERLAPPED*lpOverlapped,//為調(diào)用IOCP機制所引用的OVERLAPPED結構

DWORDdwMilliseconds,//用于指定調(diào)用者等待

該函數(shù)用于創(chuàng)建一個完成端口對象和將一個句柄同完成CP的時間

端口關聯(lián)在一起。在創(chuàng)建一個完成端口時，前三個參數(shù)都會忽）；

略，NumberOfConcurrentThreads參數(shù)指定允許有多少線程處于可運行狀態(tài)。通常給NumberOfConcurrentThreads參數(shù)當一^工作者線程從GetQueuedCompletionStatus調(diào)用中接收到I/O完成通知后，在lpCompletion和lpOverlapped參

設為0,那么I/O完成端口會使用默認值，也就是允許并發(fā)執(zhí)數(shù)中，會包含一些必要的套接字信息。利用這些信息，可通

行的線程數(shù)量等于主機的CPU數(shù)量，避免額外的上下文切換。

過完成端口，繼續(xù)在一個套接字上進行I/O處理。通過這些

代碼如下：hIOCP=CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE

VALUE,NULL,0,0)；

2.2工作者線程和完成端口

成功創(chuàng)建一個完成端口后，便可開始將套接字句柄和對象關聯(lián)到一起。但是在關聯(lián)套接字之前，必須創(chuàng)建一個或多個工作者線程，以便在I/O請求投遞完成端口對象后，為完成端口提供服務。應該創(chuàng)建多少個線程？在此要記住一個重點，在調(diào)用CreateIoCompletionPort時指定的并發(fā)線程數(shù)量，與打算創(chuàng)建的線程池線程數(shù)量是有區(qū)別的。假如在完成端口上創(chuàng)建的工作者線程數(shù)量超過指定并發(fā)執(zhí)行的線性數(shù)量（這里設為n個）,那么系統(tǒng)最多只允許n個線程運行。因為我們隨時都能執(zhí)行更多的線程，比如調(diào)用了函數(shù)Sleep或WaitForSingleObject使其處于暫停狀態(tài)，就要用另外線程代替。為了充分發(fā)揮系統(tǒng)性能，一般設置為CPU的數(shù)量乘以2。

2.3完成端口與重疊I/O

創(chuàng)建好工作者線程后，調(diào)用GetQueuedCompletionStatus）函數(shù)讓句柄和完成端口相關聯(lián)起來，進行I/O請求處理。它將調(diào)用線程切換到睡眠狀態(tài)，直到指定的完成端口的隊列中出現(xiàn)該請求。如以套接字句柄為基礎，投遞數(shù)據(jù)發(fā)送和接收請求,會掃描完成端口的隊列里是否有網(wǎng)絡通信的請求存在（如讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等），一旦發(fā)現(xiàn)消息隊列中出現(xiàn)一項的時候,該完成端口會喚醒線性池中的一個線程。這個線程會得到已完成I/O項中的所有信息：

已傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)、完成鍵以及OVERLAPPED結構的地址。GetQueuedCompletionStatus（）函數(shù)定義如下：

BOOLGetQueuedCompletionStatus(

HANDLECompletionPort,//指定的IOCP,該值由CreateIoCompletionPort函數(shù)創(chuàng)建

LPDWORDlpNumberOfBytes,//一次完成后的I/O操作所傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

參數(shù)，可獲得兩種重要的套接字數(shù)據(jù)類型：單句柄數(shù)據(jù)以及單I/O操作數(shù)據(jù)。單I/O操作數(shù)據(jù)是CompletionKey（完成鍵）參數(shù)標識的是某個特定的套接字句柄數(shù)據(jù)，相當于用一個標志來綁定每一個I/O操作，這樣收到網(wǎng)絡操作完成的通知后,可以通過這個標志來找出返回的數(shù)據(jù)對應的I/O操作。該標志可以定義如下：

typedefstruct_PER_IO_CONTEXT{

OVERLAPPEDm_Overlapped；//每一^重疊I/O網(wǎng)絡操作都要有一個

SOCKETm_sockAccept；//這個I/O操作所使用的Socket,每個連接的都是一樣的

WSABUFm_wsaBuf；//存儲數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，用來給重疊操作傳遞參數(shù)的

charm_szBuffer[MAX_BUFFER_LEN]；//對應WSABUF里的緩沖區(qū)

OPERATION_TYPEm_OpType；//標志這個重疊1/O操作是做什么的，例如Accept/Recv等}PER_IO_CONTEXT,*PPER_IO_CONTEXT；

該結構關聯(lián)了與I/O操作的某些重要數(shù)據(jù)元素，例如完成I/O操作發(fā)送或接受請求的類型m_OpType。每一個I/O操作對應了響應的PER_IO_CONTEXT,我們還要定義單句柄數(shù)據(jù)來管理句柄上的所有I/O請求，如在Socket上投遞了多個AcceptEx請求，該結構定義如下：

typedefstruct_PER_SOCKET_CONTEXT{

SOCKETm_Socket；//每一個客戶端連接的Socket

SOCKADDR_INm_ClientAddr；//這個客戶端的地址

CArray<_PER_IO_CONTEXT*>m_arrayIoContext；//數(shù)組，所有客戶端IO操作的參數(shù)，也就是說對于每一個客戶端Socket是可以在上面同時投遞多個IO請求的

2014年/第3期物聯(lián)網(wǎng)技術61\}PER_SOCKET_CONTEXT,*PPER_SOCKET_CONTEXT；

2.4關閉IOCP

調(diào)用PostQueuedCompletionStatus函數(shù)，向每個工作者線程都發(fā)送一個特殊的完成數(shù)據(jù)包。可以喚醒那些還在等待完成端口但又沒有已完成的I/O請求，每個線程會對GetQueuedCompletionStatus的返回值進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)應用程序正在終止，那么它就可以進行清理工作并正常的退出。

3IOCP程序流程

該程序調(diào)用高性能特性的AcceptEx函數(shù)用來完成端口異步，取消了阻塞方式的Accept調(diào)用。我們知道，AcceptEx是在客戶端連入之前就把客戶端的Socket建立好了，而不需要像Accept那樣在客戶端連入之后，再去時間去建立Socket。統(tǒng)可能來不及為更多的并發(fā)客戶端現(xiàn)場準備Socket。另外，相比Accept只能阻塞方式建立一個連入接口而AcceptEx可以同時在完成端口上投遞多個請求。圖2所示是其程序的整體流程圖。

4結語

采用I/O完成端口編寫的服務應用程序，經(jīng)過ProcessExplorer測試發(fā)現(xiàn)當服務器收到3000個并發(fā)線程的時候CPU占有率約為4%，而采用了多個并發(fā)線程的客戶端程序CPU占有率約為12%。所以，如果預計到自己的服務器在任何給定的時間，都會為大量I/O請求提供服務，便應考慮使用I/O完成端口模型，從而獲得更好的性能。但是在編寫基于完成端口的系統(tǒng)創(chuàng)建一個Socket的開銷是相當高了，用Accept的話，系服務應用程序時，還應注意重疊操作可確保按照應用程序安排好的順序執(zhí)行。然而，不能確保從完成端口返回的完成通知也按照上述順序執(zhí)行。在對數(shù)據(jù)包有要求的時候,比如傳送大數(shù)據(jù)的時候，要注意這個順序。

20211120_6197d4b147075__基于完成端口模型的應用程序實現(xiàn)