Windows操作系统中的I/O(读/写 输入/输出)
导言
写一个Windows平台下的应用程序大多时候都是离不开读写文件,网络通信的。
比如一个服务应用程序来说,它可能从网络适配器接受用户的请求,对请求进行处理计算,最终将用户端所需的数据返回,中间可能还涉及到对磁盘的读写,这些都是I/O操作,所以,要设计一个稳健的,高效的,伸缩性好的应用程序,就必须将Windows的I/O机制搞清楚。
一、 两种 读/写 机制
输入Input / 输出Output,有两种机制,他们是:
1 同步I/O: 线程执行一个输入输出函数时,输入输出工作执行完毕后,函数返回继续执行以后的代码。
2 异步I/O: 线程执行一个输入输出函数时,函数不等待读/写操作完成便立即返回,线程可先去执行下文,执行下文时可查询刚刚发起的读/写操作是否完成。
解读:
可以看出,异步I/O是更加高效的,同步I/O将会阻塞线程的执行,不应该被提倡。
有时候我们会认为,我们为每次执行I/O操作的时候,新开一个线程,让他去执行同步I/O函数,然后我们的原线程去执行工作,这样做是可以的,但是其实这样就是我们自己模拟实现了异步I/O,其实我们调用异步I/O函数的时候,操作系统内部也是维护了一个新线程去为我们进行I/O操作的。
但是,新建线程是一件很耗费CPU资源的事情,而且I/O操作时,CPU需要计算,需要从磁盘或网络适配器的缓冲区,将数据读取到内存中,或者将内存中的数据写到磁盘或网络适配器的缓冲区里,所以,I/O操作的线程不是睡眠的,而是忙碌的,所以我们得出了一个结论,如果我们的计算机上只有两个CPU,同时执行的I/O线程超过两个以上时,CPU会因为I/O线程不是睡眠的而分配给他们时间片,于是线程间的频繁切换,也会降低我们的应用程序的性能。
那么,我们得出结论:同时执行的I/O线程的数量不应该大于CPU数量,客户发起的I/O请求需要一个队列,每次并发处理的I/O操作应该等于CPU数量,如果并发处理的I/O请求数量太多,CPU切换过于频繁,会将CPU资源浪费在线程切换上,从而严重降低程序性能。
二、读/写 前后的工作:创建与释放要读/写的设备的内核对象
要对设备进行读/写,必须先知道创建一个用于该设备的读写的内核对象,在读/写之后,释放该内核对象。
1. 创建I/O内核对象的函数: CreateFile(...) 与其他内核对象一样,我们获取的仅仅是一个句柄。
2. 关闭I/O内核对象的函数: CloseHandle(...)
解读:
HANDLE CreateFile(
LPCTSTR lpFileName, //要读写的设备
DWORD dwDesiredAccess, //访问模式:0(不读写,如改变设备配置) GENERIC_READ,GENERIC_WRITE(可异或)
DWORD dwShareMode, //共享模式:FILE_SHARE_DELETE FILE_SHARE_READ FILE_SHARE_WRITE
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, //安全属性 里面可设置内核对象的继承性
DWORD dwCreationDistribution, //创建方式 CREATE_NEW CREATE_ALWAYS OPEN_EXISTING OPEN_ALWAYS TRUNCATE_EXISTING
DWORD dwFlagsAndAttributes, //文件属性和标志
HANDLE hTemplateFile //文件属性模板,如指定了这个参数,则忽略上个参数中的文件属性
);
/*
参数 dwFlagsAndAttributes
1)文件属性:
(FILE_ATTRIBUTE_)ARCHIVE COMPRESSED HIDDEN NORMAL OFFLINE READONLY SYSTEM TEMPORARY
2)标志:
(FILE_FLAG_)WRITE_THROUGH OVERLAPPED NO_BUFFERING RANDOM_ACCESS SEQUENTIAL_SCAN DELETE_ON_CLOSE BACKUP_SEMANTICS POSIX_SEMANTICS
*/
这个CreateFile函数返回了一个文件内核对象句柄,这里说的文件不是狭义上的磁盘文件,也包括一些设备,比如串口,并口,邮件槽,命名管道和匿名管道,另外,有些设备句柄不是通过CreateFile创建的,下面是一个创建设备内核对象的函数的说明表。
设备 创建设备内核对象的函数
文件 CreateFile(pszName为路径名或UNC路径名)。
逻辑磁盘驱动器 CreateFile(pszName为\\.\x:)。x是盘符,打开驱动器可以格式化或者检测该驱动器的大小。
物理磁盘驱动器 CreateFile(pszName为\\.\PHYSICALDRIVEx)。x是物理驱动器序号,比如PHYSICALDRIVE0
串口 CreateFile(pszName为"COMx")
并口 CreateFIle(pszName为"LPTx")
邮件槽服务器 CreateMailslot(pszName为\\.\mailslot\mailslotname)
邮件槽客户端 CreateFile(pszName为\\servername\mailslot\mailslotname)
命名管道服务器 CreateNamedPipe(pszName为\\.\pipe\pipename)
命名管道客户端 CreateFile(pszName为\\servername\pipe\pipename)
匿名管道 CreatePipe
套接字 Socket,accept或AcceptEx
控制台 CreateConsoleScreenBuffer或GetStdHandle
以上这些函数,会创建一个I/O内核对象,并取得该对象的句柄值,然后我们可以调用与具体设备相关的函数,并传入得到的设备内核对象句柄,来和设备进行通信。
和其他内核对象一样,可以调用函数CloseHandle来关闭CreateFile创建的I/O内核对象。
BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);
但是如果设备是套接字,就必须调用closesocket。
int closesocket(SOCKET s);
如果有一个设备句柄,可以通过GetFileType来查处具体的设备类型。
DWORD GetFileType(HANDLE hDevice);
返回值为:
值 | 描述 |
FILE_TYPE_UNKNOWN | 未知类型 |
FILE_TYPE_DISK | 磁盘文件 |
FILE_TYPE_CHAR | 字符文件,一般是并口设备或者控制台设备 |
FIEL_TYPE_PIPE | 指定的文件时一个命名管道或匿名管道 |
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