Windows作業系統中的I/O（讀/寫 輸入/輸出）

導言

寫一個Windows平台下的應用程式大多時候都是離不開讀寫檔案，網路通訊的。
比如一個服務應用程式來說，它可能從網路介面卡接受使用者的請求，對請求進行處理計算，最終將使用者端所需的資料返回，中間可能還涉及到對磁碟的讀寫，這些都是I/O操作，所以，要設計一個穩健的，高效的，伸縮性好的應用程式，就必須將Windows的I/O機制搞清楚。

一、 兩種 讀/寫 機制

輸入Input / 輸出Output，有兩種機制，他們是：

1 同步I/O: 線程執行一個輸入輸出函數時，輸入輸出工作執行完畢後，函數返回繼續執行以後的代碼。
2 非同步I/O: 線程執行一個輸入輸出函數時，函數不等待讀/寫操作完成便立即返回，線程可先去執行下文，執行下文時可查詢剛剛發起的讀/寫操作是否完成。

解讀：

可以看出，非同步I/O是更加高效的，同步I/O將會阻塞線程的執行，不應該被提倡。

有時候我們會認為，我們為每次執行I/O操作的時候，新開一個線程，讓他去執行同步I/O函數，然後我們的原線程去執行工作，這樣做是可以的，但是其實這樣就是我們自己類比實現了非同步I/O，其實我們調用非同步I/O函數的時候，作業系統內部也是維護了一個新線程去為我們進行I/O操作的。

但是，建立線程是一件很耗費CPU資源的事情，而且I/O操作時，CPU需要計算，需要從磁碟或網路介面卡的緩衝區，將資料讀取到記憶體中，或者將記憶體中的資料寫到磁碟或網路介面卡的緩衝區裡，所以，I/O操作的線程不是睡眠的，而是忙碌的，所以我們得出了一個結論，如果我們的電腦上只有兩個CPU，同時執行的I/O線程超過兩個以上時，CPU會因為I/O線程不是睡眠的而分配給他們時間片，於是線程間的頻繁切換，也會降低我們的應用程式的效能。

那麼，我們得出結論：同時執行的I/O線程的數量不應該大於CPU數量，客戶發起的I/O請求需要一個隊列，每次並發處理的I/O操作應該等於CPU數量，如果並發處理的I/O請求數量太多，CPU切換過於頻繁，會將CPU資源浪費線上程切換上，從而嚴重降低程式效能。

二、讀/寫 前後的工作：建立與釋放要讀/寫的裝置的核心對象

要對裝置進行讀/寫，必須Crowdsourced Security Testing道建立一個用於該裝置的讀寫的核心對象，在讀/寫之後，釋放該核心對象。

1. 建立I/O核心對象的函數： CreateFile(...)  與其他核心對象一樣，我們擷取的僅僅是一個控制代碼。
2. 關閉I/O核心對象的函數： CloseHandle(...)

解讀：

HANDLE CreateFile(
LPCTSTR lpFileName,     //要讀寫的裝置
DWORD dwDesiredAccess,  //訪問模式：0(不讀寫,如改變裝置配置)  GENERIC_READ,GENERIC_WRITE(可異或)
DWORD dwShareMode,      //共用模式：FILE_SHARE_DELETE FILE_SHARE_READ FILE_SHARE_WRITE
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,  //安全屬性  裡面可設定核心對象的繼承性
DWORD dwCreationDistribution,  //建立方式  CREATE_NEW  CREATE_ALWAYS  OPEN_EXISTING  OPEN_ALWAYS  TRUNCATE_EXISTING
DWORD dwFlagsAndAttributes,    //檔案屬性和標誌
HANDLE hTemplateFile    //檔案屬性模板，如指定了這個參數，則忽略上個參數中的檔案屬性
);

/*
參數 dwFlagsAndAttributes
1)檔案屬性:
  (FILE_ATTRIBUTE_)ARCHIVE COMPRESSED HIDDEN NORMAL OFFLINE READONLY SYSTEM TEMPORARY
2)標誌:
  (FILE_FLAG_)WRITE_THROUGH OVERLAPPED NO_BUFFERING RANDOM_ACCESS SEQUENTIAL_SCAN DELETE_ON_CLOSE BACKUP_SEMANTICS POSIX_SEMANTICS
*/這個CreateFile函數返回了一個檔案核心物件控點，這裡說的檔案不是狹義上的磁碟檔案，也包括一些裝置，比如串口，並口，郵件槽，具名管道和匿名管道，另外，有些裝置控制代碼不是通過CreateFile建立的，下面是一個建立裝置核心對象的函數的說明表。

裝置　　　　　　　　　　　　建立裝置核心對象的函數

檔案　　　　　　　　　　　　CreateFile(pszName為路徑名或UNC路徑名)。

邏輯磁碟機　　　　　　　CreateFile(pszName為\\.\x:)。x是盤符,開啟磁碟機可以格式化或者檢測該磁碟機的大小。

物理磁碟機　　　　　　　CreateFile(pszName為\\.\PHYSICALDRIVEx)。x是物理磁碟機序號，比如PHYSICALDRIVE0

串口　　　　　　　　　　　　CreateFile(pszName為"COMx")

並口　　　　　　　　　　　　CreateFIle(pszName為"LPTx")

郵件槽伺服器　　　　　　　　CreateMailslot(pszName為\\.\mailslot\mailslotname)

郵件槽用戶端　　　　　　　　CreateFile(pszName為\\servername\mailslot\mailslotname)

具名管道伺服器　　　　　　　CreateNamedPipe(pszName為\\.\pipe\pipename)

具名管道用戶端　　　　　　　CreateFile(pszName為\\servername\pipe\pipename)

匿名管道　　　　　　　　　　CreatePipe

通訊端　　　　　　　　　　　Socket,accept或AcceptEx

控制台　　　　　　　　　　　CreateConsoleScreenBuffer或GetStdHandle

以上這些函數，會建立一個I/O核心對象，並取得該對象的控制代碼值，然後我們可以調用與具體裝置相關的函數，並傳入得到的裝置核心物件控點，來和裝置進行通訊。

和其他核心對象一樣，可以調用函數CloseHandle來關閉CreateFile建立的I/O核心對象。

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

但是如果裝置是通訊端，就必須調用closesocket。

int closesocket(SOCKET s);如果有一個裝置控制代碼，可以通過GetFileType來查處具體的裝置類型。DWORD GetFileType(HANDLE hDevice);
傳回值為：

值	描述
FILE_TYPE_UNKNOWN	未知類型
FILE_TYPE_DISK	磁碟檔案
FILE_TYPE_CHAR	字元檔案，一般是並口裝置或者控制台裝置
FIEL_TYPE_PIPE	指定的檔案時一個具名管道或匿名管道