重叠I/O之使用完成例程的扩展I/O【系列二】

一 废话

　　在上一篇文章中，我们介绍了通过等待内核对象来接受I/O完成通知的重叠I/O。除了使用同步对象外，我们还可以使用其它方法，这便是这篇文章要介绍的使用完成例程的扩展I/O。完成例程其实就是回调函数，当I/O完成的时候系统调用一个用户指定的回调函数来通知用户I/O完成, 调用完回调函数之后，可以继续启动下一个I/O操作。为了实现回调，线程需要处于可通知的状态。为什么称之为“扩展I/O”呢？因为它是等待内核对象的异步I/O的扩展，而且它需要调用扩展函数。

二 相关数据结构和函数

　　1 ReadFileEx 和 WriteFileEx

　　为什么是ReadFileEx和WriteFileEx，而不是使用函数ReadFile和WriteFile？额。。。一是因为当I/O完成的时候需要调用用户设置的回调函数，而回调函数的地址怎么和相关I/O异步过程调用队列相关联；二是ReadFile和WriteFile发送I/O操作请求时，异步情况下会立刻返回，所以函数参数中的已传输字节数这个参数是没有用的。所以，我们需要新的函数ReadFileEx和WriteFileEx，下面是两个函数的原型：

BOOL
WINAPI
ReadFileEx(
            HANDLE hFile,
            (FILE) LPVOID lpBuffer,
            DWORD nNumberOfBytesToRead,
            LPOVERLAPPED lpOverlapped,
            LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
           );
 
BOOL
WINAPI
WriteFileEx(
             HANDLE hFile,
             (nNumberOfBytesToWrite) LPCVOID lpBuffer,
             DWORD nNumberOfBytesToWrite,
             LPOVERLAPPED lpOverlapped,
             LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
            );

　　ReadFileEx和WriteFileEx的前三个参数和ReadFile和WriteFile中的一样。lpOverlapped必须提供提供OVERLAPPED结构，但是不用设置hEvent成员，系统将忽略它。但是，可以将其设置为表示I/O操作的信息，比如顺序号。lpCompletionRoutine是所要设置的I/O回调函数的地址，回调函数的原型为：

VOID
(WINAPI *LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE)(
	__in    DWORD dwErrorCode,
	__in    DWORD dwNumberOfBytesTransfered,
	__inout LPOVERLAPPED lpOverlapped
	);

　　

　　2 可提醒的等待函数

　　当I/O请求完成时候，系统会将它们添加到线程的APC队列中——回调函数并不会立即被调用，这是因为线程可能还在忙于其它的事情。为了对线程APC队列中的项进行处理，线程必须将自己设置为可提醒状态。这样当线程执行到可提醒状态点时，而APC队列中刚好有已经完成的I/O操作，则会调用回到函数。Windws共提供了6个函数可将线程置为可提醒状态：

WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
SleepEx(
        __in DWORD dwMilliseconds,
        __in BOOL bAlertable
        );
 
WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
WaitForSingleObjectEx(
                      __in HANDLE hHandle,
                      __in DWORD dwMilliseconds,
                      __in BOOL bAlertable
                      );
 
WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
WaitForMultipleObjectsEx(
                         __in DWORD nCount,
                         __in_ecount(nCount) CONST HANDLE *lpHandles,
                         __in BOOL bWaitAll,
                         __in DWORD dwMilliseconds,
                         __in BOOL bAlertable
                         );
 
WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
SignalObjectAndWait(
                    __in HANDLE hObjectToSignal,
                    __in HANDLE hObjectToWaitOn,
                    __in DWORD dwMilliseconds,
                    __in BOOL bAlertable
                    );
 
BOOL
WINAPI
GetQueuedCompletionStatusEx(
                            __in  HANDLE CompletionPort,
                            __out_ecount_part(ulCount, *ulNumEntriesRemoved) LPOVERLAPPED_ENTRY lpCompletionPortEntries,
                            __in  ULONG ulCount,
                            __out PULONG ulNumEntriesRemoved,
                            __in  DWORD dwMilliseconds,
                            __in  BOOL fAlertable
                            );
 
DWORD
WINAPI
MsgWaitForMultipleObjectsEx(
                            __in DWORD nCount,
                            __in_ecount_opt(nCount) CONST HANDLE *pHandles,
                            __in DWORD dwMilliseconds,
                            __in DWORD dwWakeMask,
                            __in DWORD dwFlags);　　

　　前五个函数的最后一个参数是一个布尔值，表示调用线程是否应该将自己置为可提醒状态。最后一个函数MsgWaitForMutipleObjectsEx需要使用MWMO_ALTERABLE来让线程进入可提醒状态。返回值表示它们返回的原因，如果返回的或者通过GetLastError为WAIT_IO_COMPLETION，表示线程至少处理了APC队列中的一项。

　　注意：

• 对任何可提醒的等待函数使用INFINITE超时值。
• 使用重叠结构中的hEvent数据成员来将信息传递给回调函数。

　　3  异步过程调用队列(asynchronous procedure call, APC)

　　到底完成例程的I/O操作是怎么运转的呢？我们从头开始梳理。这就需要了解异步过程调用队列(asynchronous procedure call, APC),APC队列是由系统在内部维护的。当系统创建一个线程的时候，会同是创建一个与之相关联的队列，称之为异步过程调用。当我们调用ReadFileEx或WriteFileEx向设备驱动程序发出一个I/O请求后立刻返回，但是会将回调函数的地址传给设备驱动程序。当设备驱动程序完成I/O请求的时候，便会在发出I/O请求的线程的APC队列中添加一项。该项包含了完成函数的地址，以及发出此I/O请求所使用的OVERLAPPED结构的地址。

　　当我们调用可提醒函数将线程设置为可提醒状态时，系统会首先检查线程的APC队列。如果队列中至少有一项，系统便会将APC队列中的那一项取出，让线程调用回调函数，并在OVERLAPPED结构中传入已完成I/O请求的错误码，已传输的字节数，以及OVERLAPPED结构的地址。当回调函数返回的时候，系统会检查APC队列是否还有其它的项，如果还有则继续处理下一项。即当一个线程进入可提醒状态时，该线程的APC队列中的所有完成例程都会得到执行。注意，系统会以任意的顺序执行我们添加到队列中的I/O请求。

三 示例