《Windows via C/C++》學習筆記 —— 裝置I/O之“非同步裝置I/O請求”

　　非同步裝置I/O適用於大資料量和高效能的場合，比如伺服器。

　　要使用非同步裝置I/O，在調用CreateFile來開啟或建立一個裝置的時候，讓參數dwFlagsAndAttributes包括FILE_FALG_OVERLAPPED，這意味著想讓開啟的裝置可以被非同步訪問。

　　為了發送一個I/O請求給一個裝置，也就是讓一個I/O請求進入I/O隊列，你可以使用ReadFile和WriteFile這兩個函數：

BOOL ReadFile(
   HANDLE      hFile,
   PVOID       pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToRead,
   PDWORD      pdwNumBytes,
   OVERLAPPED* pOverlapped);BOOL WriteFile(
   HANDLE      hFile,
   CONST VOID  *pvBuffer,
   DWORD       nNumBytesToWrite,
   PDWORD      pdwNumBytes,
   OVERLAPPED* pOverlapped);

 

　　當這兩個函數被呼叫，系統通過第一個參數hFile，來查看該控制代碼指明的裝置在開啟的時候是否使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED，如果使用了，這兩個函數執行非同步裝置I/O，反之，則執行同步裝置I/O。當使用非同步I/O方式的時候，在調用這兩個函數的時候，可以將NULL傳遞給pdwNumBytes參數，因為不知道何時裝置I/O完成，因此使用這個參數沒有多大意義。

　　注意最後一個參數，是一個OVERLAPPED結構的指標：

typedef struct _OVERLAPPED {
   DWORD  Internal;     // 錯誤碼（出口參數，返回）
   DWORD  InternalHigh; // 傳輸的資料大小，以位元組為單位（出口參數，返回）
   DWORD  Offset;       // 低32位位移量（入口參數，輸入）
   DWORD  OffsetHigh;   // 高32位位移量（入口參數，輸入）
   HANDLE hEvent;       // 事件核心物件控點（入口參數，輸入）
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

 

　　該結構包含5個成員，其中的3個——Offset、OffsetHigh、hEvent應該在調用ReadFile和WriteFile之前被初始化，另外的2個——Internal、InternalHigh會在I/O完成的時候被裝置驅動程式所設定，下面細述一下：

• Offset、OffsetHigh —— 在使用非同步裝置I/O來操縱“檔案裝置”的時候，檔案讀寫指標被忽略，此時I/O的位移量由OVERLAPPED結構中的Offset和OffsetHigh決定。另外，在“非檔案裝置”中，這兩個成員不會被忽略，一般必須要設定為0。
• hEvent —— 一個事件核心物件控點，可以有多種使用方法，後面會講到。
• Internal —— 儲存I/O錯誤碼，當你發送一個I/O請求的時候，該參數被設定為STATUS_PENDING，指明沒有錯誤發生，因為操作還沒有開始。你可以使用HasOverlappedIoCompleted宏來查看一個非同步裝置I/O是否完成，該結構接受一個OVERLAPPED結構指標，如果I/O請求完成返回TRUE。如果I/O請求仍然沒有開始，返回FALSE。
• InternalHigh —— 非同步I/O請求完成的時候，該成員裡儲存了傳送資料量的位元組數。

　　當非同步I/O請求完成之後，你可以接受到一個OVERLAPPED結構的指標。一般可以讓一個C++類從OVERLAPPED結構派生，類中加入一些其他資訊，使得更容易處理。然後當使用ReadFile和WriteFile函數的時候，可以傳遞這個C++類對象的指標，當I/O完成之後，接受該結構的時候，可以將其轉換為C++類對象，不但可以獲得其5個成員，還可以獲得類中的其他資訊。

 

　　使用非同步裝置I/O的時候，要注意以下三點：

　　1、裝置驅動程式不一定會按照一個“先進先出”（FIFO）的順序來處理裝置I/O請求，因此如下編碼不會保證先讀後寫：

OVERLAPPED o1 = { 0 };
OVERLAPPED o2 = { 0 };
BYTE bBuffer[100];
ReadFile (hFile, bBuffer, 100, NULL, &o1);   //讀
WriteFile(hFile, bBuffer, 100, NULL, &o2);   //寫

 

　　2、以非同步方式進行I/O請求的是，驅動程式可能會選擇同步的方式。當你讀取一個檔案的時候，如果系統發現讀取的資料在cache中，且資料有效，那麼該I/O請求就不需要驅動程式了，而是直接將cache中的資料複製到你的緩衝區中。驅動在某些操作上一直使用同步方式，比如在NTFS格式上的檔案壓縮，擴充檔案長度，添加檔案資訊等。

　　這個時候，如果ReadFile和WriteFile返回非0值，則表明它以同步方式進行。如果返回FLASE，說明發生了一個錯誤，這個時候可以通過GetLastError來取得資訊，如果返回ERROR_IO_PENDING，則說明I/O請求成功提交，但沒有完成。

 

　　3、資料緩衝區和OVERLAPPED結構在非同步I/O請求完成之前不能被移動或釋放。當裝置驅動準備處理你的I/O請求的時候，它將資料傳送到pvBuffer參數對應的地址上去，並訪問OVERLAPPED結構中的Offset等成員。當I/O請求完成之後，裝置驅動更新OVERLAPPED結果中的Internal和InternalHigh成員。因此，不能在I/O請求完成之前移動或釋放資料緩衝區和OVERLAPPED結構，否則，記憶體資料會被破壞，而且在每次調用ReadFile或WriteFile的時候，都必須分配一個單獨的OVERLAPPED結構。

　　比如，下面的代碼是有BUG的：

VOID ReadData(HANDLE hFile)
{
   OVERLAPPED o = { 0 };
   BYTE b[100];
   ReadFile(hFile, b, 100, NULL, &o);
}  //此時緩衝區b和OVERLAPPED結構o都被釋放

 

　　你可以將一個裝置I/O請求清除佇列，即撤消該請求。可以有如下方法：

 

　　1、在一個線程中調用CancelIo函數，可以取消該線程發送給指定裝置有關的所有I/O請求，除了指定的裝置是“I/O完成連接埠”。

BOOL CancelIo(HANDLE hFile);     //參數是裝置物件控點

 

　　2、取消與一個裝置有關的所有I/O請求，關閉這個裝置控制代碼即可。

 

　　3、當一個線程結束，系統自動取消該線程發送的所有I/O請求，除了發送給“I/O完成連接埠的”I/O請求。

 

　　4、如果想取消某一個特定的I/O請求，可以使用CancelIoEx函數，傳遞一個OVERLAPPED結構指標給它：

BOOL CancelIoEx(HANDLE hFile, LPOVERLAPPED pOverlapped);

 

　　該函數可以跨線程使用，也就是在T1線程內發送的I/O請求，可以在T2線程內通過該函數結束之。因為每個I/O請求都需要一個唯一的OVERLAPPED結構，所以該OVERLAPPED結構就標識了一個I/O請求。如果傳遞NULL給CancelIoEx函數的第2個參數，那麼就會取消與hFile對應的裝置的所有I/O請求。

 

　　取消一個I/O請求，該I/O請求會結束，同時錯誤碼被設定為ERROR_OPERATION_ABORTED。