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。

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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

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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