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  • IOCP详解

     

    简介： IOCP（I/O Completion Port，I/O完成端口）是性能最好的一种I/O模型。它是应用程序使用线程池处理异步I/O请求的一种机制。

    IOCP详解

    IOCP（I/O Completion Port，I/O完成端口）是性能最好的一种I/O模型。它是应用程序使用线程池处理异步I/O请求的一种机制。在处理多个并发的异步I/O请求时，以往的模型都是在接收请求是创建一个线程来应答请求。这样就有很多的线程并行地运行在系统中。而这些线程都是可运行的，Windows内核花费大量的时间在进行线程的上下文切换，并没有多少时间花在线程运行上。再加上创建新线程的开销比较大，所以造成了效率的低下。

    Windows Sockets应用程序在调用WSARecv()函数后立即返回,线程继续运行。当系统接收数据完成后，向完成端口发送通知包（这个过程对应用程序不可见）。

    应用程序在发起接收数据操作后，在完成端口上等待操作结果。当接收到I/O操作完成的通知后，应用程序对数据进行处理。

    image.png

    完成端口其实就是上面两项的联合使用基础上进行了一定的改进。

    一个完成端口其实就是一个通知队列，由操作系统把已经完成的重叠I/O请求的通知放入其中。当某项I/O操作一旦完成，某个可以对该操作结果进行处理的工作者线程就会收到一则通知。而套接字在被创建后，可以在任何时候与某个完成端口进行关联。

    众所皆知，完成端口是在WINDOWS平台下效率最高，扩展性最好的IO模型，特别针对于WINSOCK的海量连接时，更能显示出其威力。其实建立一个完成端口的服务器也很简单，只要注意几个函数，了解一下关键的步骤也就行了。

    分为以下几步来说明完成端口：

    0)  同步IO与异步IO

    1)  函数

    2)  常见问题以及解答

    3)  步骤

    4)  例程

    0、同步IO与异步IO

    同步I/O首先我们来看下同步I/O操作，同步I/O操作就是对于同一个I/O对象句柄在同一时刻只允许一个I/O操作，原理图如下：

    image.png

            
    由图可知，内核开始处理I/O操作到结束的时间段是T2~T3，这个时间段中用户线程一直处于等待状态，如果这个时间段比较短，则不会有什么问题，但是如果时间比较长，那么这段时间线程会一直处于挂起状态，这就会很严重影响效率，所以我们可以考虑在这段时间做些事情。

    异步I/O操作则很好的解决了这个问题，它可以使得内核开始处理I/O操作到结束的这段时间，让用户线程可以去做其他事情，从而提高了使用效率。

     image.png

    由图可知，内核开始I/O操作到I/O结束这段时间，用户层可以做其他的操作，然后，当内核I/O结束的时候，可以让I/O对象或者时间对象通知用户层，而用户线程GetOverlappedResult来查看内核I/O的完成情况。

    1、函数

    我们在完成端口模型下会使用到的最重要的两个函数是：

    CreateIoCompletionPort、GetQueuedCompletionStatus

    CreateIoCompletionPort  的作用是创建一个完成端口和把一个IO句柄和完成端口关联起来：

    // 创建完成端口

HANDLECompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
    // 把一个IO句柄和完成端口关联起来，这里的句柄是一个socket 句柄

CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient,CompletionPort, (DWORD)PerHandleData, 0);

     

    其中第一个参数是句柄，可以是文件句柄、SOCKET句柄。

    第二个就是我们上面创建出来的完成端口，这里就把两个东西关联在一起了。

    第三个参数很关键，叫做PerHandleData，就是对应于每个句柄的数据块。我们可以使用这个参数在后面取到与这个SOCKET对应的数据。

    最后一个参数给0，意思就是根据CPU的个数，允许尽可能多的线程并发执行。

    GetQueuedCompletionStatus的作用就是取得完成端口的结果：

    // 从完成端口中取得结果

GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort,&BytesTransferred, (LPDWORD)&PerHandleData,(LPOVERLAPPED*)&PerIoData, INFINITE)

    第一个参数是完成端口

    第二个参数是表明这次的操作传递了多少个字节的数据

    第三个参数是OUT类型的参数，就是前面CreateIoCompletionPort传进去的单句柄数据，这里就是前面的SOCKET句柄以及与之相对应的数据，这里操作系统给我们返回，让我们不用自己去做列表查询等操作了。

    第四个参数就是进行IO操作的结果，是我们在投递WSARecv / WSASend 等操作时传递进去的，这里操作系统做好准备后，给我们返回了。非常省事！！

    个人感觉完成端口就是操作系统为我们包装了很多重叠IO的不爽的地方，让我们可以更方便的去使用，下篇我将会尝试去讲述完成端口的原理。

    2、常见问题和解答

    1）什么是单句柄数据(PerHandle)和单IO数据(PerIO)

    单句柄数据就是和句柄对应的数据，像socket句柄，文件句柄这种东西。

    单IO数据，就是对应于每次的IO操作的数据。例如每次的WSARecv/WSASend等等

    其实我觉得PER是每次的意思，翻译成每个句柄数据和每次IO数据还比较清晰一点。

    在完成端口中，单句柄数据直接通过GetQueuedCompletionStatus 返回，省去了我们自己做容器去管理。单IO数据也容许我们自己扩展OVERLAPPED结构，所以，在这里所有与应用逻辑有关的东西都可以在此扩展。

    2）如何判断客户端的断开

    我们要处理几种情况

    a)如果客户端调用了closesocket，我们就可以这样判断他的断开：

    if(0== GetQueuedCompletionStatus(CompletionPort, &BytesTransferred, 。。。)

{

}

if(BytesTransferred == 0)

{

    // 客户端断开，释放资源

}

    b)如果是客户端直接退出，那就会出现64错误，指定的网络名不可再用。这种情况我们也要处理的：

    if(0== GetQueuedCompletionStatus(。。。))

{

   if( (GetLastError() == WAIT_TIMEOUT) ||(GetLastError() == ERROR_NETNAME_DELETED) )

   {

        // 客户端断开，释放资源

   }

}

    3）什么是IOCP?

    我们已经提到IOCP 只不过是一个专门实现用来进行线程间的通信的技术，和信号量（semaphore）相似，因此IOCP并不是一个复杂的概念。一个IOCP 对象是与多个I/O对象关联的，这些对象支持挂起异步IO调用。直到一个挂起的异步IO调用结束为止，一个访问IOCP的线程都有可能被挂起。

    完成端口的目标是使CPU保持在满负荷状态下工作。

    4）为什么使用IOCP?

    使用IOCP,我们可以克服”一个客户端一个线程”的问题。我们知道，这样做的话，如果软件不是运行在一个多核及其上性能就会急剧下降。线程是系统资源，他们既不是无限制的、也不是代价低廉的。

    IOCP提供了一种只使用一些（I/O worker）线程去“相对公平地”完成多客户端的”输入输出”。线程会一直被挂起，而不会使用CPU时间片，直到有事情做完为止。

    5）IOCP是如何工作的？

    当使用IOCP时，你必须处理三件事情：a)将一个Socket关联到完成端口;b)创建一个异步I/O调用; c)与线程进行同步。为了获得异步IO调用的结果，比如哪个客户端执行了调用，你必须传入两个参数：pCompletionKey参数和OVERLAPPED结构。

    3、步骤

    编写完成端口服务程序，无非就是以下几个步骤：

      1、创建一个完成端口

      2、根据CPU个数创建工作者线程，把完成端口传进去线程里

      3、创建侦听SOCKET，把SOCKET和完成端口关联起来

      4、创建PerIOData，向连接进来的SOCKET投递WSARecv操作

      5、线程里所做的事情：

     a、GetQueuedCompletionStatus，在退出的时候就可以使用PostQueudCompletionStatus使线程退出;

     b、取得数据并处理;

    4、例程

    下面是服务端的例程，可以使用sunxin视频中中的客户端程序来测试服务端。稍微研究一下，也就会对完成端口模型有个大概的了解了。

    实例结果服务器、客户端如下：

    image.png

    image.png

    /*

   完成端口服务器

   接收到客户端的信息，直接显示出来

*/

 

#include"winerror.h"
#include"Winsock2.h"
#pragmacomment(lib, "ws2_32")
#include"windows.h"
#include<iostream>
usingnamespace std;
 
/// 宏定义
#define PORT 5050
#define DATA_BUFSIZE 8192
 
#define OutErr(a) cout << (a) << endl 
      << "出错代码："<< WSAGetLastError() << endl 
      << "出错文件："<< __FILE__ << endl  
      << "出错行数："<< __LINE__ << endl 
 
#define OutMsg(a) cout << (a) << endl;
 
 
/// 全局函数定义
 
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// 函数名       : 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()");
        }
}
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// 函数名       : BindServerOverlapped
// 功能描述     : 绑定端口，并返回一个 Overlapped 的ListenSocket
// 参数         : int nPort
// 返回值       : SOCKET
//
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
SOCKET BindServerOverlapped(int nPort)
{
 // 创建socket
 SOCKET sServer = WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);
 
 // 绑定端口
 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;
 }
 
 // 设置监听队列为200
 if(listen(sServer, 200) != 0)
 {
        OutErr("listen Failed!");
        return NULL;
 }
 return sServer;
}
 
 
/// 结构体定义
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;
       }
 
       // 说明客户端已经退出
       if(BytesTransferred == 0)
       {
         cout << "closing socket" <<PerHandleData->Socket << endl;
         closesocket(PerHandleData->Socket);
         delete PerIoData;
         delete PerHandleData;
         continue;
       }
 
       // 取得数据并处理
       cout << PerHandleData->Socket<< "发送过来的消息：" << PerIoData->Buffer<< endl;
 
       // 继续向 socket 投递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);
 
        //根据系统的CPU来创建工作者线程
        SYSTEM_INFO SystemInfo;
        GetSystemInfo(&SystemInfo);
 
        //线程数目=系统进程数目的两倍.
        for(int i = 0; i <SystemInfo.dwNumberOfProcessors * 2; i++)
        {
               HANDLE hProcessIO = CreateThread(NULL, 0,ProcessIO, CompletionPort, 0, NULL);
               if(hProcessIO)
               {
                      CloseHandle(hProcessIO);
               }
        }
 
        //创建侦听SOCKET
        SOCKET sListen = BindServerOverlapped(PORT);
 
        SOCKET sClient;
        LPPER_HANDLE_DATA PerHandleData;
        LPPER_IO_OPERATION_DATA PerIoData;
        while(true)
        {
               // 等待客户端接入
               //sClient = WSAAccept(sListen, NULL, NULL, NULL, 0);
               sClient = accept(sListen, 0, 0);
               cout << "Socket " << sClient << "连接进来"<< endl;
 
               PerHandleData = new PER_HANDLE_DATA();
               PerHandleData->Socket = sClient;
 
               // 将接入的客户端和完成端口联系起来
               CreateIoCompletionPort((HANDLE)sClient, CompletionPort,(DWORD)PerHandleData, 0);
 
               // 建立一个Overlapped，并使用这个Overlapped结构对socket投递操作
               PerIoData = new PER_IO_OPERATION_DATA();
 
               ZeroMemory(PerIoData, sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA));
               PerIoData->DataBuf.buf = PerIoData->Buffer;
               PerIoData->DataBuf.len = DATA_BUFSIZE;
 
               // 投递一个WSARecv操作
               DWORD Flags = 0;
               DWORD dwRecv = 0;
               WSARecv(sClient, &PerIoData->DataBuf, 1, &dwRecv, &Flags,&PerIoData->Overlapped, NULL);
        }
 
       DWORD dwByteTrans;
       //将一个已经完成的IO通知添加到IO完成端口的队列中.
        //提供了与线程池中的所有线程通信的方式.
        PostQueuedCompletionStatus(CompletionPort,dwByteTrans, 0, 0);  //IO操作完成时接收的字节数.
        
        closesocket(sListen);
}
    /*--------------------------------------------

**---------客户端例程序-----------------------

---------------------------------------------*/

#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()加载套接字库
       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，用于一台机器上测试的IP
              addrSrv.sin_family=AF_INET;
              addrSrv.sin_port=htons(5050);//和服务器端的端口号保持一致
              connect(sockClient,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));//连接服务器端（套接字，地址转换，长度）
      
 
              sprintf(sendBuf,"This is TestNo : %d
",++nCnt);
              send(sockClient,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);//向服务器端发送数据，"+1"是为了给''留空间
              printf("send:%s",sendBuf);
 
//           memset(recvBuf,0,100);
//           recv(sockClient,recvBuf,100,0);//接收数据
//           printf("%s
",recvBuf);//打印
             
              closesocket(sockClient);//关闭套接字，释放为这个套接字分配的资源
              Sleep(1);
       }
       WSACleanup();//终止对这个套接字库的使用
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