IOCP详解_ioc注解

IOCP详解_ioc注解简介: 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

 

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\n",++nCnt);
              send(sockClient,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);//向服务器端发送数据,"+1"是为了给'\0'留空间
              printf("send:%s",sendBuf);
 
//           memset(recvBuf,0,100);
//           recv(sockClient,recvBuf,100,0);//接收数据
//           printf("%s\n",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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