IOCP详解转
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IOCP詳解
IOCP（I/O Completion Port，I/O完成端口）是性能最好的一種I/O模型。它是應用程序使用線程池處理異步I/O請求的一種機制。在處理多個并發的異步I/O請求時，以往的模型都是在接收請求是創建一個線程來應答請求。這樣就有很多的線程并行地運行在系統中。而這些線程都是可運行的，Windows內核花費大量的時間在進行線程的上下文切換，并沒有多少時間花在線程運行上。再加上創建新線程的開銷比較大，所以造成了效率的低下。
Windows Sockets應用程序在調用WSARecv()函數后立即返回,線程繼續運行。當系統接收數據完成后，向完成端口發送通知包（這個過程對應用程序不可見）。
應用程序在發起接收數據操作后，在完成端口上等待操作結果。當接收到I/O操作完成的通知后，應用程序對數據進行處理。
完成端口其實就是上面兩項的聯合使用基礎上進行了一定的改進。
一個完成端口其實就是一個通知隊列，由操作系統把已經完成的重疊I/O請求的通知放入其中。當某項I/O操作一旦完成，某個可以對該操作結果進行處理的工作者線程就會收到一則通知。而套接字在被創建后，可以在任何時候與某個完成端口進行關聯。
眾所皆知，完成端口是在WINDOWS平臺下效率最高，擴展性最好的IO模型，特別針對于WINSOCK的海量連接時，更能顯示出其威力。其實建立一個完成端口的服務器也很簡單，只要注意幾個函數，了解一下關鍵的步驟也就行了。
分為以下幾步來說明完成端口：
0) 同步IO與異步IO
1) 函數
2) 常見問題以及解答
3) 步驟
4) 例程
0、同步IO與異步IO
同步I/O首先我們來看下同步I/O操作，同步I/O操作就是對于同一個I/O對象句柄在同一時刻只允許一個I/O操作，原理圖如下：
由圖可知，內核開始處理I/O操作到結束的時間段是T2~T3，這個時間段中用戶線程一直處于等待狀態，如果這個時間段比較短，則不會有什么問題，但是如果時間比較長，那么這段時間線程會一直處于掛起狀態，這就會很嚴重影響效率，所以我們可以考慮在這段時間做些事情。
異步I/O操作則很好的解決了這個問題，它可以使得內核開始處理I/O操作到結束的這段時間，讓用戶線程可以去做其他事情，從而提高了使用效率。
由圖可知，內核開始I/O操作到I/O結束這段時間，用戶層可以做其他的操作，然后，當內核I/O結束的時候，可以讓I/O對象或者時間對象通知用戶層，而用戶線程GetOverlappedResult來查看內核I/O的完成情況。
1、函數
我們在完成端口模型下會使用到的最重要的兩個函數是：
CreateIoCompletionPort、GetQueuedCompletionStatus
CreateIoCompletionPort 的作用是創建一個完成端口和把一個IO句柄和完成端口關聯起來：
// 創建完成端口
HANDLECompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
// 把一個IO句柄和完成端口關聯起來，這里的句柄是一個socket 句柄
CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient,CompletionPort, (DWORD)PerHandleData, 0);
其中第一個參數是句柄，可以是文件句柄、SOCKET句柄。
第二個就是我們上面創建出來的完成端口，這里就把兩個東西關聯在一起了。
第三個參數很關鍵，叫做PerHandleData，就是對應于每個句柄的數據塊。我們可以使用這個參數在后面取到與這個SOCKET對應的數據。
最后一個參數給0，意思就是根據CPU的個數，允許盡可能多的線程并發執行。
GetQueuedCompletionStatus的作用就是取得完成端口的結果：
// 從完成端口中取得結果
GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort,&BytesTransferred, (LPDWORD)&PerHandleData,(LPOVERLAPPED*)&PerIoData, INFINITE)
第一個參數是完成端口
第二個參數是表明這次的操作傳遞了多少個字節的數據
第三個參數是OUT類型的參數，就是前面CreateIoCompletionPort傳進去的單句柄數據，這里就是前面的SOCKET句柄以及與之相對應的數據，這里操作系統給我們返回，讓我們不用自己去做列表查詢等操作了。
第四個參數就是進行IO操作的結果，是我們在投遞WSARecv / WSASend 等操作時傳遞進去的，這里操作系統做好準備后，給我們返回了。非常省事！！
個人感覺完成端口就是操作系統為我們包裝了很多重疊IO的不爽的地方，讓我們可以更方便的去使用，下篇我將會嘗試去講述完成端口的原理。
2、常見問題和解答
1）什么是單句柄數據(PerHandle)和單IO數據(PerIO)
單句柄數據就是和句柄對應的數據，像socket句柄，文件句柄這種東西。
單IO數據，就是對應于每次的IO操作的數據。例如每次的WSARecv/WSASend等等
其實我覺得PER是每次的意思，翻譯成每個句柄數據和每次IO數據還比較清晰一點。
在完成端口中，單句柄數據直接通過GetQueuedCompletionStatus 返回，省去了我們自己做容器去管理。單IO數據也容許我們自己擴展OVERLAPPED結構，所以，在這里所有與應用邏輯有關的東西都可以在此擴展。
2）如何判斷客戶端的斷開
我們要處理幾種情況
a)如果客戶端調用了closesocket，我們就可以這樣判斷他的斷開：
if(0== GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred, 。。。)
{
}
if(BytesTransferred == 0)
{
// 客戶端斷開，釋放資源
}
b)如果是客戶端直接退出，那就會出現64錯誤，指定的網絡名不可再用。這種情況我們也要處理的：
if(0== GetQueuedCompletionStatus(。。。))
{
if( (GetLastError() == WAIT_TIMEOUT) ||(GetLastError() == ERROR_NETNAME_DELETED) )
{
// 客戶端斷開，釋放資源
}
}
3）什么是IOCP?
我們已經提到IOCP 只不過是一個專門實現用來進行線程間的通信的技術，和信號量（semaphore）相似，因此IOCP并不是一個復雜的概念。一個IOCP 對象是與多個I/O對象關聯的，這些對象支持掛起異步IO調用。直到一個掛起的異步IO調用結束為止，一個訪問IOCP的線程都有可能被掛起。
完成端口的目標是使CPU保持在滿負荷狀態下工作。
4）為什么使用IOCP?
使用IOCP,我們可以克服”一個客戶端一個線程”的問題。我們知道，這樣做的話，如果軟件不是運行在一個多核及其上性能就會急劇下降。線程是系統資源，他們既不是無限制的、也不是代價低廉的。
IOCP提供了一種只使用一些（I/O worker）線程去“相對公平地”完成多客戶端的”輸入輸出”。線程會一直被掛起，而不會使用CPU時間片，直到有事情做完為止。
5）IOCP是如何工作的？
當使用IOCP時，你必須處理三件事情：a)將一個Socket關聯到完成端口;b)創建一個異步I/O調用; c)與線程進行同步。為了獲得異步IO調用的結果，比如哪個客戶端執行了調用，你必須傳入兩個參數：pCompletionKey參數和OVERLAPPED結構。
3、步驟
編寫完成端口服務程序，無非就是以下幾個步驟：
1、創建一個完成端口
2、根據CPU個數創建工作者線程，把完成端口傳進去線程里
3、創建偵聽SOCKET，把SOCKET和完成端口關聯起來
4、創建PerIOData，向連接進來的SOCKET投遞WSARecv操作
5、線程里所做的事情：
a、GetQueuedCompletionStatus，在退出的時候就可以使用PostQueudCompletionStatus使線程退出;
b、取得數據并處理;
4、例程
下面是服務端的例程，可以使用sunxin視頻中中的客戶端程序來測試服務端。稍微研究一下，也就會對完成端口模型有個大概的了解了。
/*
完成端口服務器
接收到客戶端的信息，直接顯示出來
*/
#include"winerror.h"
#include"Winsock2.h"
#pragmacomment(lib, "ws2_32")
#include"windows.h"
#include<iostream>
usingnamespace std;
/// 宏定義
#define PORT 5050
#define DATA_BUFSIZE 8192
#define OutErr(a) cout << (a) << endl \
<< "出錯代碼："<< WSAGetLastError() << endl \
<< "出錯文件："<< __FILE__ << endl \
<< "出錯行數："<< __LINE__ << endl \
#define OutMsg(a) cout << (a) << endl;
/// 全局函數定義
///
//
// 函數名 : InitWinsock
// 功能描述 : 初始化WINSOCK
// 返回值 : void
//
///
void InitWinsock()
{
// 初始化WINSOCK
WSADATA wsd;
if( WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd) != 0)
{
OutErr("WSAStartup()");
}
}
///
//
// 函數名 : BindServerOverlapped
// 功能描述 : 綁定端口，并返回一個 Overlapped 的ListenSocket
// 參數 : int nPort
// 返回值 : SOCKET
//
///
SOCKET BindServerOverlapped(int nPort)
{
// 創建socket
SOCKET sServer = WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
// 綁定端口
struct sockaddr_in servAddr;
servAddr.sin_family = AF_INET;
servAddr.sin_port = htons(nPort);
servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if(bind(sServer, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) < 0)
{
OutErr("bind Failed!");
return NULL;
}
// 設置監聽隊列為200
if(listen(sServer, 200) != 0)
{
OutErr("listen Failed!");
return NULL;
}
return sServer;
}
/// 結構體定義
typedef struct
{
OVERLAPPED Overlapped;
WSABUF DataBuf;
CHAR Buffer[DATA_BUFSIZE];
}PER_IO_OPERATION_DATA,* LPPER_IO_OPERATION_DATA;
typedef struct
{
SOCKET Socket;
}PER_HANDLE_DATA,* LPPER_HANDLE_DATA;
DWORD WINAPI ProcessIO(LPVOID lpParam)
{
HANDLE CompletionPort = (HANDLE)lpParam;
DWORD BytesTransferred;
LPPER_HANDLE_DATA PerHandleData;
LPPER_IO_OPERATION_DATA PerIoData;
while(true)
{
if(0 == GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort,&BytesTransferred, (LPDWORD)&PerHandleData,(LPOVERLAPPED*)&PerIoData, INFINITE))
{
if( (GetLastError() ==WAIT_TIMEOUT) || (GetLastError() == ERROR_NETNAME_DELETED) )
{
cout << "closingsocket" << PerHandleData->Socket << endl;
closesocket(PerHandleData->Socket);
delete PerIoData;
delete PerHandleData;
continue;
}
else
{
OutErr("GetQueuedCompletionStatus failed!");
}
return 0;
}
// 說明客戶端已經退出
if(BytesTransferred == 0)
{
cout << "closing socket" <<PerHandleData->Socket << endl;
closesocket(PerHandleData->Socket);
delete PerIoData;
delete PerHandleData;
continue;
}
// 取得數據并處理
cout << PerHandleData->Socket<< "發送過來的消息：" << PerIoData->Buffer<< endl;
// 繼續向 socket 投遞WSARecv操作
DWORD Flags = 0;
DWORD dwRecv = 0;
ZeroMemory(PerIoData,sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
PerIoData->DataBuf.buf =PerIoData->Buffer;
PerIoData->DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
WSARecv(PerHandleData->Socket,&PerIoData->DataBuf, 1, &dwRecv, &Flags,&PerIoData->Overlapped, NULL);
}
return 0;
}
void main()
{
InitWinsock();
HANDLE CompletionPort =CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
//根據系統的CPU來創建工作者線程
SYSTEM_INFO SystemInfo;
GetSystemInfo(&SystemInfo);
//線程數目=系統進程數目的兩倍.
for(int i = 0; i <SystemInfo.dwNumberOfProcessors * 2; i++)
{
HANDLE hProcessIO = CreateThread(NULL, 0,ProcessIO, CompletionPort, 0, NULL);
if(hProcessIO)
{
CloseHandle(hProcessIO);
}
}
//創建偵聽SOCKET
SOCKET sListen = BindServerOverlapped(PORT);
SOCKET sClient;
LPPER_HANDLE_DATA PerHandleData;
LPPER_IO_OPERATION_DATA PerIoData;
while(true)
{
// 等待客戶端接入
//sClient = WSAAccept(sListen, NULL, NULL, NULL, 0);
sClient = accept(sListen, 0, 0);
cout << "Socket " << sClient << "連接進來"<< endl;
PerHandleData = new PER_HANDLE_DATA();
PerHandleData->Socket = sClient;
// 將接入的客戶端和完成端口聯系起來
CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient, CompletionPort,(DWORD)PerHandleData, 0);
// 建立一個Overlapped，并使用這個Overlapped結構對socket投遞操作
PerIoData = new PER_IO_OPERATION_DATA();
ZeroMemory(PerIoData, sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
PerIoData->DataBuf.buf = PerIoData->Buffer;
PerIoData->DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
// 投遞一個WSARecv操作
DWORD Flags = 0;
DWORD dwRecv = 0;
WSARecv(sClient, &PerIoData->DataBuf, 1, &dwRecv, &Flags,&PerIoData->Overlapped, NULL);
}
DWORD dwByteTrans;
//將一個已經完成的IO通知添加到IO完成端口的隊列中.
//提供了與線程池中的所有線程通信的方式.
PostQueuedCompletionStatus(CompletionPort,dwByteTrans, 0, 0); //IO操作完成時接收的字節數.
closesocket(sListen);
}
/*--------------------------------------------
**---------客戶端例程序-----------------------
---------------------------------------------*/
#include<stdio.h>
#include<Winsock2.h>
#define MAXCNT 30000
void main()
{
WORD wVersionRequested;
WSADATA wsaData;
int err;
wVersionRequested = MAKEWORD( 2, 2);
err = WSAStartup( wVersionRequested,&wsaData );//WSAStartup()加載套接字庫
if ( err != 0 ) {
return;
}
if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 2 ||
HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 2 ){
WSACleanup( );
return;
}
static int nCnt = 0;
char sendBuf[2000];
// char recvBuf[100];
while(nCnt < MAXCNT)
{
SOCKETsockClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
SOCKADDR_IN addrSrv;
addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");//本地回路地址127，用于一臺機器上測試的IP
addrSrv.sin_family=AF_INET;
addrSrv.sin_port=htons(5050);//和服務器端的端口號保持一致
connect(sockClient,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));//連接服務器端（套接字，地址轉換，長度）
sprintf(sendBuf,"This is TestNo : %d\n",++nCnt);
send(sockClient,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);//向服務器端發送數據，"+1"是為了給'\0'留空間
printf("send:%s",sendBuf);
// memset(recvBuf,0,100);
// recv(sockClient,recvBuf,100,0);//接收數據
// printf("%s\n",recvBuf);//打印
closesocket(sockClient);//關閉套接字，釋放為這個套接字分配的資源
Sleep(1);
}
WSACleanup();//終止對這個套接字庫的使用
}
總結
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