Windows编程_Lesson004_项目预备_异步IO操作(使用IOCP实现大文件拷贝的项目)

异步IO机制

异步IO是Windows给我们读写文件提供的的一种的机制，在我们执行CreateFileEx函数是，通过传递相应的参数，就会向操作系统发送请求，那么CreateFileEx函数就会直接返回，它不会等到这个函数操作完成才返回，返回后，这个线程就可以做一些其它的操作，直到收到操作系统完成文件操作的通知，再去处理文件相关的操作，这样不会导致当前的线程发生阻塞；当操作系统收到这个请求时，就会进行实际的操作文件，当实际的操作完成后，它会通知执行CreateFileEx的线程，告诉线程可以进行文件操作了。

异步操作-CreateFile

我们再来思考一个问题，同步IO为什么会导致程序阻塞？

首先我们先说两个概念，进程和线程。

进程是指的是当前程序运行时所占用的空间，也就是说线程主要是来做存储的事情；

线程是实际的运行单元（工作），是与CPU直接打交道的。

所以当我们执行某些操作导致阻塞时，实际上指的是线程被阻塞了。

我们举一个不是很恰当的例子，进程就好比我们实际生活中的工厂，工厂本身是不能工作的，它只是说明占地面积是多少，拥有多少资源等等，而实际工作的是工厂里面的工人，一个工人就好比一个线程，此时就有同学再问，那工厂不一定只有一个工人吧，应该有多个工人吧？对了，此时我们在程序中就成为多线程。

多线程是一个进程中有多个线程在同时运行，我们称之为多线程。

那么想用实现异步IO操作时，我们可以使用使用创建线程来完成，我们也可以使用系统线程来完成。

OVERLAPPED结构体

OVERLAPPED结构体定义如下：

typedef struct _OVERLAPPED {
ULONG_PTR Internal;
ULONG_PTR InternalHigh;
union {
struct {
DWORD Offset;
DWORD OffsetHigh;
} DUMMYSTRUCTNAME;
PVOID Pointer;
} DUMMYUNIONNAME;

HANDLE  hEvent;
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

我们先看下面的一个结构，它是用两个DWORD变量组成一个64位的变量，

struct {
DWORD Offset;
DWORD OffsetHigh;
} DUMMYSTRUCTNAME;

我们原来以同步IO方式打开一个对象时，这个对象保存了一个位置，我们可以通过函数来设置这个位置。但是以异步IO方式打开一个对象时， 这个对象里面并没有保存这个对象的位置，来开始进行访问，我们就需要设置这个结构体的值，来设置读取的位置。所以这个结构体设计的很巧妙，这个结构体可以帮我们完成文件分割的功能。

hEvent参数，它是一个事件内核对象，它会以事件的方式来通知我们的线程函数执行情况。实际上我们在实际的工作中，不仅仅只放一个hEvent内核对象，因为HANDLE就是一个void*指针，所以我们完全可以放一些其它对象的。

Internal参数主要是用来保存请求的错误码。

InternalHigh参数用来保存读取成功的字节数。

下面四种方法可以对异步I/O进行提醒

1. 设备内核对象

2. 事件内核对象（Windows中用途非常广泛的一种内核对象，它的作用主要用于同步以及交互，与设备是一种完全不同）

3. 可提醒I/O（不可跨线程）

4. I/O完成端口，

异步IO简单实例

1.设备内核对象进行I/O提醒的例子

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
_In_ HANDLE hHandle,
_In_ DWORD  dwMilliseconds
);

Waits until the specified object is in the signaled state or the time-out interval elapses.

CSDN解释是这样的，翻译下来就是：

一直等待下去，直到指定对象达到信号态或者超过指定时间段。

2.事件内核对象对异步I/O进行操作的例子

// 事件内核对象例子
int main()
{
HANDLE hFile = CreateFile(TEXT("Demo.txt"), GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ, nullptr, OPEN_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, nullptr);

if (hFile != INVALID_HANDLE_VALUE)
{
// Read
BYTE bReadBuffer[MAXBYTE] = { 0 };
OVERLAPPED oRead = { 0 };
oRead.Offset = 0;
oRead.hEvent = CreateEvent(nullptr, TRUE, FALSE, TEXT("ReadEvent"));    // 创建一个事件内核对象
ReadFile(hFile, bReadBuffer, sizeof(bReadBuffer), nullptr, &oRead);

// Write
BYTE bWriteBuffer[10] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
OVERLAPPED oWrite = { 0 };
oWrite.Offset = 0;
oWrite.hEvent = CreateEvent(nullptr, TRUE, FALSE, TEXT("WriteEvent"));  // 创建一个事件内核对象
ReadFile(hFile, bWriteBuffer, sizeof(bWriteBuffer), nullptr, &oWrite);

// Do Something

// 其它的线程
HANDLE hOverlapped[2] = { 0 };
hOverlapped[0] = oRead.hEvent;
hOverlapped[1] = oWrite.hEvent;

while (true)
{
DWORD dwCase = WaitForMultipleObjects(2, hOverlapped, FALSE, INFINITE);

switch (dwCase-WAIT_OBJECT_0)
{
case 0: // 读完成
break;
case 1: // 写完成
break;
default:
break;
}
}
}
else
{
GetLastError();
}

return 0;
}

3.可提醒I/O对异步I/O进行操作的例子

// 设备内核对象和事件内核对象相当于下面的过程
// 1.发送请求
// 2.做自己的事情
// 3.判断请求是否完成

// 可提醒I/O相当于下面的过程
// 1.发送请求 -> 完成后，操作系统提醒我
// 2.做自己的事情

// (可提醒I/O操作)
// APC
// 工厂(进程)->工人(线程)
//                线程内部有 APC机制，当线程闲置时候(准确的说法是，当线程是可提醒状态时)，这是前提，APC列表中的事情自动执行（即一系列的函数，它们会被挨个的被执行）

// MessageBox   ->  阻塞（闲置下来），但是它并不是可提醒状态
// Wait Sleep 这些函数才能真正使线程函数闲置下来，变为可提醒状态

VOID CALLBACK FileIOCompletionRoutine(
_In_    DWORD        dwErrorCode,
_In_    DWORD        dwNumberOfBytesTransfered,
_Inout_ LPOVERLAPPED lpOverlapped
)
{
MessageBoxW(nullptr, TEXT("Read"), TEXT("Tips"), MB_OK);
}

// 可提醒I/O例子
int main()
{
HANDLE hFile = CreateFile(TEXT("Demo.txt"), GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ, nullptr, OPEN_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, nullptr);
if (hFile != INVALID_HANDLE_VALUE)
{
const UINT uLen = 255;
BYTE bReadBuf[uLen] = { 0 };
OVERLAPPED oRead = { 0 };
oRead.Offset = 5;
// 注意： 必须是ReadFileEx函数，才能设置线程为可提醒状态
ReadFileEx(hFile, bReadBuf, uLen, &oRead, FileIOCompletionRoutine);
}

// 只有设置为TRUE时候，APC函数才能被调用
// 如果使用Sleep函数，则不会弹出对话框
// 如果没有SleepEx，那么这个线程不是可提醒状态，所以不弹出对话框
SleepEx(100, TRUE);
// 除了SleepEx函数外，还有其他的函数，也可以让线程处于可提醒状态，比如Wait等函数
// 可提醒I/O实际上是不好用的，因为回调函数里面的参数没有任何作用，因为我们不知道读到了什么值，只是知道多了多少个，因此没什么用。
// 所以不建议使用这种方式
// 但是APC的这套机制还是很好的（只不过不适合用在I/O上面），它能将我们的函数放到APC列表里面，我们可以理解APC是一个不定时的定时器，只要线程设置为可提醒状态，APC中的函数就能被执行。

return 0;
}

运行效果如图所示：



4.I/O完成端口对异步I/O进行操作的例子

// 完成端口
// 串行模型来京异步I/O操作
// 并行模型 -> 多线程

// 1个工人 -> 5天 串行
// 5个工人 -> 1天 并行

// 单核 -> 模拟出来的多进程   线程
// 多喝 -> 多进程            核心数 ->

#define IOCP_KEY_READ   1

//　完成端口例子
// 完成端口时Windows下一系列函数,是Windows给我们提供的一整套工具
// 天生就是一个并行模式
// 所以在Windows下进行异步I/O操作时，使用完成端口效率要高，但是这个也并不是绝对的，一定是在操作大文件时，效率才会提高，对于小文件，有可能效率还会降低
int main()
{
// 一个完成端口，会
// 创建设备队列
// 创建设备操作队列
// 创建线程池（多个线程）

HANDLE hIOCP = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, nullptr, 0, 0); // 创建一个完成端口,第四个参数最重要，需要的线程数
// 此时传递的0，表示的是默认个数，比如一个核心，它会创建一个线程
// 就是有几个核心，就会创建几个线程
// 但是并不建议创建太大的线程数，
HANDLE hFile = CreateFile(TEXT("Demo.txt"), GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ, nullptr, OPEN_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, nullptr);

//HANDLE hIOCP = CreateIoCompletionPort(hFile, nullptr, IOCP_KEY_READ, 0);  // 这一行代码相当于前面的两行代码，创建并绑定

// 和设备绑定
CreateIoCompletionPort(hFile, hIOCP, IOCP_KEY_READ, 0);

// 插入一个请求
PostQueuedCompletionStatus(hFile, );
// 该如何操作
GetQueuedCompletionStatus(hIOCP, );

// Windows CopyFile 使用完成端口来实现这个小项目

return 0;
}

使用I/O完成端口实现高效的文件拷贝小项目

#include <Windows.h>
#include <iostream>

#define IOCP_KEY_READ   1
#define IOCP_KEY_WRITE  2

int main()
{
LPCTSTR lpstrSrcFilePath = TEXT("Demo.txt");
LPCTSTR lpstrDestFilePath = TEXT("Demo-Clone.txt");
BOOL bOk = FALSE;
BOOL bComplete = FALSE;

do
{
// 1.打开一个设备（用来读）
HANDLE hSrcFile = CreateFile(lpstrSrcFilePath, GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ, nullptr, OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED | FILE_FLAG_NO_BUFFERING, nullptr);
if (hSrcFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
break;
// 2.打开一个设备（用来写）
HANDLE hDestFile = CreateFile(lpstrDestFilePath, GENERIC_WRITE, 0, nullptr, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED | FILE_FLAG_NO_BUFFERING, hSrcFile);
if (hDestFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
break;
// 3.获取文件大小
LARGE_INTEGER liFileSize;
if (!GetFileSizeEx(hSrcFile, &liFileSize))
break;
// 4.设置文件指针
if (!SetFilePointerEx(hDestFile, liFileSize, nullptr, FILE_BEGIN))
break;
// 5.设置文件末尾
if (!SetEndOfFile(hDestFile))
break;
// 6.获取磁盘扇区大小
DWORD dwBytePerSector = 0;
if (!GetDiskFreeSpace(TEXT("C:"), nullptr, &dwBytePerSector, nullptr, nullptr))
break;
// 7.获取系统信息
SYSTEM_INFO sysInfo = { 0 };
GetSystemInfo(&sysInfo);
// 8.创建I/O完成端口
HANDLE hIOCP = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, nullptr, 0, sysInfo.dwNumberOfProcessors); // 需要注意的是最后一个参数传递0，和传递 sysInfo.dwNumberOfProcessors 效果是一样的，这里就不多加说明了
if (hIOCP == NULL)
{
DWORD dwError = GetLastError();
if (dwError != ERROR_ALIAS_EXISTS)
{
// 此时才是真正的创建失败
break;
}
}
// 9.将读和写的IOCP绑定到设备列表中
hIOCP = CreateIoCompletionPort(hSrcFile, hIOCP, IOCP_KEY_READ, sysInfo.dwNumberOfProcessors);
hIOCP = CreateIoCompletionPort(hDestFile, hIOCP, IOCP_KEY_WRITE, sysInfo.dwNumberOfProcessors);

OVERLAPPED oRead = { 0 }, oWrite = { 0 };

// 10.往IOCP完成队列里面发送一个写的项
// 否则GetQueuedCompletionStatus函数会一直阻塞的那里，因为此时并没有任意一件事情(读或写)
PostQueuedCompletionStatus(hIOCP, 0, IOCP_KEY_WRITE, &oWrite);

// 一般在另一个线程做，但是在这里，我们就用本线程来完成

DWORD dwByteTrans = 0;
ULONG_PTR ulKey = 0;
LPOVERLAPPED lpOverlapped = nullptr;

// 11.分配空间，和new出来的空间一样
SIZE_T sizeLen = dwBytePerSector * 1024;
LPVOID lpAddr = VirtualAlloc(nullptr, sizeLen, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);

while (true)
{
BOOL bRet = GetQueuedCompletionStatus(hIOCP, &dwByteTrans, &ulKey, &lpOverlapped, INFINITE);
if (bRet == FALSE)
{
if (lpOverlapped == NULL)
{
// 失败或者超时
break;
}
else
{
continue;
}
}

switch (ulKey)
{
case IOCP_KEY_READ:
{
// 写操作 WriteFile
// 主要对overlapped结构体进行更新，更新offset
WriteFile(hDestFile, lpAddr, sizeLen, nullptr, &oWrite);
LARGE_INTEGER liReadLen;
liReadLen.QuadPart = dwByteTrans;

if (oWrite.Offset + dwByteTrans == liFileSize.LowPart)
{
// 读写完成，程序退出
bComplete = TRUE;
if (!SetEndOfFile(hDestFile))
break;
}

oRead.Offset += liReadLen.LowPart;
oRead.OffsetHigh += liReadLen.HighPart;
}
break;
case IOCP_KEY_WRITE:
{
// 更新offset
LARGE_INTEGER liWriteLen;
liWriteLen.QuadPart = dwByteTrans;
oWrite.Offset += liWriteLen.LowPart;
oWrite.OffsetHigh += liWriteLen.HighPart;
// 判断当前文件长度
ReadFile(hSrcFile, lpAddr, sizeLen, nullptr, &oRead);
}
break;
default:
break;
}

if (bComplete)
{
// 实际上完成端口是不应该退出的，应该和程序的生命周期一样的
break;
}
}

CloseHandle(hSrcFile);
CloseHandle(hDestFile);

bOk = TRUE;
}
while (false);

if (!bOk)
{
DWORD dwError = GetLastError();
std::cout << "ErrorCode: " << dwError << std::endl;
}

return 0;
}

上面文件拷贝小文件的改进

细心的朋友一定会发现，上面高效的文件拷贝小项目貌似并不是很完美，原因是当文件超过4GB的时候，它就会出现问题，为了解决这个问题，将部分代码做了修改，主要是在oRead和oWrite两个结构体变量赋值的时候出现的问题，不仔细说了，直接上代码吧，相信这一次会令您满意的。

#include <Windows.h>
#include <iostream>

#define IOCP_KEY_READ   1
#define IOCP_KEY_WRITE  2

int main()
{
LPCTSTR lpstrSrcFilePath = TEXT("Demo.iso");
LPCTSTR lpstrDestFilePath = TEXT("Demo-Clone.iso");
BOOL bOk = FALSE;
BOOL bComplete = FALSE;

do
{
// 1.打开一个设备（用来读）
HANDLE hSrcFile = CreateFile(lpstrSrcFilePath, GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ, nullptr, OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED | FILE_FLAG_NO_BUFFERING, nullptr);
if (hSrcFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
break;
// 2.打开一个设备（用来写）
HANDLE hDestFile = CreateFile(lpstrDestFilePath, GENERIC_WRITE, 0, nullptr, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED | FILE_FLAG_NO_BUFFERING, hSrcFile);
if (hDestFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
break;
// 3.获取文件大小
LARGE_INTEGER liFileSize;
if (!GetFileSizeEx(hSrcFile, &liFileSize))
break;
// 4.设置文件指针
if (!SetFilePointerEx(hDestFile, liFileSize, nullptr, FILE_BEGIN))
break;
// 5.设置文件末尾
if (!SetEndOfFile(hDestFile))
break;
// 6.获取磁盘扇区大小
DWORD dwBytePerSector = 0;
if (!GetDiskFreeSpace(TEXT("C:"), nullptr, &dwBytePerSector, nullptr, nullptr))
break;
// 7.获取系统信息
SYSTEM_INFO sysInfo = { 0 };
GetSystemInfo(&sysInfo);
// 8.创建I/O完成端口
HANDLE hIOCP = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, nullptr, 0, sysInfo.dwNumberOfProcessors); // 需要注意的是最后一个参数传递0，和传递 sysInfo.dwNumberOfProcessors 效果是一样的，这里就不多加说明了
if (hIOCP == NULL)
{
DWORD dwError = GetLastError();
if (dwError != ERROR_ALIAS_EXISTS)
{
// 此时才是真正的创建失败
break;
}
}
// 9.将读和写的IOCP绑定到设备列表中
hIOCP = CreateIoCompletionPort(hSrcFile, hIOCP, IOCP_KEY_READ, sysInfo.dwNumberOfProcessors);
hIOCP = CreateIoCompletionPort(hDestFile, hIOCP, IOCP_KEY_WRITE, sysInfo.dwNumberOfProcessors);

OVERLAPPED oRead = { 0 }, oWrite = { 0 };

// 10.往IOCP完成队列里面发送一个写的项
// 否则GetQueuedCompletionStatus函数会一直阻塞的那里，因为此时并没有任意一件事情(读或写)
PostQueuedCompletionStatus(hIOCP, 0, IOCP_KEY_WRITE, &oWrite);

// 一般在另一个线程做，但是在这里，我们就用本线程来完成

DWORD dwByteTrans = 0;
ULONG_PTR ulKey = 0;
LPOVERLAPPED lpOverlapped = nullptr;

// 11.分配空间，和new出来的空间一样
SIZE_T sizeLen = dwBytePerSector * 1024;
LPVOID lpAddr = VirtualAlloc(nullptr, sizeLen, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);

LARGE_INTEGER liReadLen = {0}, liWriteLen = {0};

while (true)
{
BOOL bRet = GetQueuedCompletionStatus(hIOCP, &dwByteTrans, &ulKey, &lpOverlapped, INFINITE);
if (bRet == FALSE)
{
if (lpOverlapped == NULL)
{
// 失败或者超时
break;
}
else
{
continue;
}
}

switch (ulKey)
{
case IOCP_KEY_READ:
{
// 写操作 WriteFile
// 主要对overlapped结构体进行更新，更新offset
WriteFile(hDestFile, lpAddr, sizeLen, nullptr, &oWrite);
liReadLen.QuadPart += dwByteTrans;

if (oWrite.Offset + dwByteTrans == liFileSize.LowPart && oWrite.OffsetHigh == liFileSize.HighPart)
{
// 读写完成，程序退出
bComplete = TRUE;
if (!SetEndOfFile(hDestFile))
break;
}

oRead.Offset = liReadLen.LowPart;
oRead.OffsetHigh = liReadLen.HighPart;
}
break;
case IOCP_KEY_WRITE:
{
// 更新offset
liWriteLen.QuadPart += dwByteTrans;
oWrite.Offset = liWriteLen.LowPart;
oWrite.OffsetHigh = liWriteLen.HighPart;
// 判断当前文件长度
ReadFile(hSrcFile, lpAddr, sizeLen, nullptr, &oRead);
}
break;
default:
break;
}

if (bComplete)
{
// 实际上完成端口是不应该退出的，应该和程序的生命周期一样的
break;
}
}

CloseHandle(hSrcFile);
CloseHandle(hDestFile);

bOk = TRUE;
}
while (false);

if (!bOk)
{
DWORD dwError = GetLastError();
std::cout << "ErrorCode: " << dwError << std::endl;
}

return 0;
}