四.Windows I/O模型之重叠IO(overlapped)模型

时间:2022-05-01 18:27:44

1.适用于除Windows CE之外的各种Windows平台.在使用这个模型之前应该确保该系统安装了Winsock2.重叠模型的基本设计原理是使用一个重叠的数据结构,一次投递一个或多个Winsock I/O请求。在重叠模型中,收发数据使用WSA开头的函数。

2.WSA_FLAG_OVERLAPPED标志:要使用重叠模型。在创建套接字的时候,必须加上该标志。
SOCKET s=WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
假如使用的是socket函数,而非WSASocket函数,那么会默认设置WSA_FLAG_OVERLAPPED标志。
若随一个WSAFLAGOVERLAPPED结构一起调用这些以WSA开头的函数(AcceptEx和TRansmiteFile函数例外),函数会立即完成并返回,无论套接字是否设为阻塞模式

3.重叠模型在网络事件完成后,可以有两种方式通知应用程序:事件通知和完成例程

3.事件通知:事件对象与WSAOVERLAPPED进行绑定实现网络事件完成后通过事件进行通知。

4.WSAOVERLAPPED结构:
typedef struct WSAOverlapped
{
    DWORD Internal;
    DOWRD InternalHigh;
    DWORD Offset;
    DWORD OffsetHigh;
    WSAEVENT hEvent;
}WSAOVERLAPPED,FAR* LPWSAOVERLAPPED;
此处,程序员可以使用的是最后一个参数hEvent,其余的不用管。通过该参数,重叠结构可以与事件对象进行绑定,以实现网络事件完成后,通过事件对象进行通知应用程序。事件对象通知方式是通过创建一个事件对象,把该对象赋值给重叠结构的hEvent参数即可实现绑定。在此再次提醒大家注意:WSAWaitForMultipleEvents函数一次最多只能等待64个事件对象。

5.WSAGetOverlappedResult函数:重叠请求完成后,接着需要调用WSAGetOverlappedResult(取得重叠结构)函数,判断那个重叠调用到底是成功,还是失败.
BOOL WSAGetOverlappedResult(
    SOCKET s,//套接字
    LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,//重叠结构
    LPDWORD lpcbTransfer,//对应一个DWORD(双字节)变量,一次重叠实际传输(接收或者发送)的字节数
    BOOL fWait,//参数用于决定函数是否应该等待一次重叠操作完成。
    LPWORD lpdwFlags
    );
重叠操作完成,函数返回TRUE,否则,返回FALSE。返回FALSE通常都是有一下几种情况造成的.
(1)重叠I/O操作仍处在未完成状态
(2)重叠操作已经完成,但含有错误
(3)重叠操作的完成状态不可判决,因为在提供给函数WSAGetOverlappedResult的一个或多个参数中,存在着错误。
失败后,由lpcbTransfer参数指向的值不会进行更新,而且我们的应用程序应调用WSAGetLastError函数

6.基于事件通知的重叠模型编程步骤如下:
(1) 创建一个套接字,绑定本机端口,在指定的端口上监听连接请求。
(2)接受连接请求。
(3)为接受的套接字新建一个WSAOVERLAPPED结构,并为该结构分配一个事件对象句柄。也将事件对象句柄分配给一个事件数组,以便稍后由函数WSAWaitForMultipleEvents使用。
(4)在套接字上投递一个异步WSARecv请求,指定参数为WSAOVERLAPPED结构。注意函数通常会以失败告终,返回SOCKETERROR错误状态WSAIOPENDING(I/O操作尚未完成)。
(5)使用步骤3)的事件数组,调用WSAWaitForMultipleEvents函数,并等待与重叠调用关联在一起的事件进入“已传信”状态(换言之,等待那个事件的“触发”)。
(6)WSAWaitForMultipleEvents函数完成后,针对事件数组,调用WSAResetEvent(重设事件)函数,从而重设事件对象,并对完成的重叠请求进行处理。
(7)使用WSAGetOverlappedResult函数,判断重叠调用的返回状态是什么。
(8)在套接字上投递另一个重叠WSARecv请求。
(9)重复步骤5 ) ~ 8 )。

示例代码:

 void main(void)
{
WSABUF databuf;
DWORD eventTotal=;
WSAEVENT eventArray[WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS];
WSAOVERLAPPED acceptOverlapped;
SOCKET listensock,acceptsock; //初始化工作和一般socket通信相同
... //接收连接
acceptsock=accept(listensock,NULL,NULL); //创建事件,绑定事件对象与重叠结构
eventArray[eventTotal]=WSACreateEvent();
ZeroMemory(&acceptOverlapped,sizeof(WSAOVERLAPPED));
acceptOverlapped.hEvent=eventArray[eventTotal]; //数据缓冲区初始化
databuf.len=DATA_BUFSIZE;
databuf.buf=buffer; eventTotal++; //投递接收请求
WSARecv(acceptsock,&databuf,,&recvBytes,&flags,&acceptOverlapped,NULL); while()
{
//监视事件对象状态
index=WSAWaitForMultipleEvents(eventTotal,eventArray,FALSE,WSA_INFINITE,FALSE); //人工充值事件
WSAResetEvent(eventArray[eventTotal-WSA_WAIT_EVENT_0]); //获取I/O操作的完成情况
WSAGetOverlappedResult(acceptsock,&acceptOverlapped,&bytesTransferred,FALSE,&flag); if(bytesTransferred==)
{
closesocket(acceptsock);
WSACloseEvent(eventArray[eventTotal-WSA_WAIT_EVENT_0]);
return;
} //处理接收过来的数据
... //再再次发送一个WSARecv请求
flag=;
ZeroMemory(&acceptOverlapped,sizeof(WSAOVERLAPPED)); databuf.LEN=DATA_BUFSIZE;
databuf.buf=buf;
WSARecv(acceptsock,&databuf,,&recvbytes,&flag,&acceptOverlapped,NULL);
} }

注意:对于接受客户端连接的函数,还有一个AcceptEx函数,不过这个函数太过麻烦且对性能的提升没有太大的作用,暂时不打算学习

接下来学习基于完成例程的重叠IO模型:

7.基于完成例程的重叠模型的实现:
完成例程也就是回调函数。这种方式,就是设置一个回调函数,I/O请求完成后,自动调用回调函数即可。如果希望用完成例程为重叠I/O请求提供服务,在我们的应用程序中,必须为指定一个完成例程(回调函数),同时指定一个WSAOVERLAPPED结构。一个完成例程(回调函数)必须拥有下述函数原型:

 void CALLBACK CompletionROUTINE(
DWORD dwError,//表明一个重叠操作的完成状态是什么
DWORD cdTransferred,//参数指定了在重叠操作期间,实际传输的字节量是多大
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,//重叠结构
DWORD dwFlags//目前尚未使用,应设为0
);

8.基于完成例程和基于事件对象两种重叠模型之间的差异:在使用完成重叠模型时,WSAOVERLAPPED结构的事件字段hEvent并未使用;也就是说,我们不可将一个事件对象同重叠请求关联到一起。用完成例程发出了一个重叠I/O请求之后,作为我们的调用线程,一旦完成,它最终必须为完成例程提供服务。这样一来,便要求我们将自己的调用线程置于一种“可警告的等待状态”。并在I/O操作完成后,对完成例程加以处理。WSAWaitForMultipleEvents函数可用来将我们的线程置于一种可警告的等待状态。这样做的缺点在于,我们还必须有一个事件对象可用于WSAWaitForMultipleEvents函数。假定应用程序只用完成例程对重叠请求进行处理,便不可能有任何事件对象需要处理。作为一种变通方法,我们的应用程序可用Win32的SleepEx函数将自己的线程置为一种可警告等待状态。当然,亦可创建一个伪事件对象,不将它与任何东西关联在一起。假如调用线程经常处于繁忙状态,而且并不处在一种可警告的等待状态,那么根本不会有投递的完成例
程会得到调用。
SleepEx函数的行为实际上和WSAWaitForMultipleEvents差不多,只是它不需要任何事件对象。
9.SleepEx函数:

 DWORD SleepEx(
DWORD dwMillisecond,//等待时间
BOOL bAlertable,//指定完成例程的执行方式
)

第二个参数是否置于警觉状态,如果为FALSE,则一定要等待超时时间完毕之后才会返回,这里我们是希望重叠操作一完成就能返回,所以我们要设置为TRUE

10.window下,管理重叠io有三种方式:基于事件的重叠io模型,基于完成例程的重叠io模型,完成端口模型,相比之下,在性能方面前两种方式没有区别,第三种完成端口模型性能最优。因为前两种都需要自己来管理任务的分派,而完成端口是操作系统来管理任务的分派。虽然第一二中Io模型在性能上没有区别。但是,基于事件的重叠io模型要受到最多64个等待事件的限制。完成例程则没有这种限制。
11.完成历程的基本原理:在基于事件的重叠io模型中,io操作完成后,系统会以事件的方式通知应用程序。而对于完成例程来说,系统会在io操作完成后,直接调用应用程序提供的回调函数。区别也就仅此而已。对于完成例程,我们可以用一种非常形象的话来进行表述:完成例程的处理过程,也就像我们告诉系统,说“我想要在网络上接收网络数据,你去帮我办一下”(投递WSARecv操作),“不过我并不知道网络数据合适到达,总之在接收到网络数据之后,你直接就调用我给你的这个函数(比如_CompletionProess),把他们保存到内存中或是显示到界面中等等,全权交给你处理了”,于是乎,系统在接收到网络数据之后,一方面系统会给我们一个通知,另外同时系统也会自动调用我们事先准备好的回调函数,就不需要我们自己操心了。
12.完成例程的函数基本上和基于事件的io模型的函数是相同的。只是在这里我们需要添加一个回调函数。回调函数原型如下:(函数名字随便起,但是参数类型不能错):

     Void CALLBACK _CompletionRoutineFunc(
DWORD dwError, // 标志咱们投递的重叠操作,比如WSARecv,完成的状态是什么
DWORD cbTransferred, // 指明了在重叠操作期间,实际传输的字节量是多大
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, // 参数指明传递到最初的IO调用内的一个重叠结构
DWORD dwFlags // 返回操作结束时可能用的标志(一般没用) );

13.定义了回调函数之后,还需要把回调函数与系统绑定之后,网络操作完成后才会自动调用回调函数。例如WSARecv绑定过程如下:

     int WSARecv(
SOCKET s, // 当然是投递这个操作的套接字
LPWSABUF lpBuffers, // 接收缓冲区,与Recv函数不同,这里需要一个由WSABUF结构构成的数组
DWORD dwBufferCount, // 数组中WSABUF结构的数量,设置为1即可
LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd,//所接收到的字节数
LPDWORD lpFlags, // 说来话长了,我们这里设置为0 即可
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, // “绑定”的重叠结构
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine //回调函数的指针
);

//注意:绑定动作就是通过填充最后一个参数进行实现的。
14.完成例程的实现步骤:
(1)创建一个套接字,开始在指定的端口上监听连接请求
(2)接收连接请求即调用accept函数,生成一个新的socket套接字
(3)准备重叠结构:需要注意的是,一个套接字对应一个或者多个io请求,一个io请求对应一个重叠结构
    WSAOVERLAPPED AcceptOverlapped;  
    ZeroMemory(&AcceptOverlapped, sizeof(WSAOVERLAPPED));      // 置零
(4)投递io请求(此处为WSARecv请求),使用重叠结构,回调函数填充参数:
    WSARecv(AcceptSocket,&DataBuf,1,&dwRecvBytes, &Flags,&AcceptOverlapped,_CompletionRoutine)
(5)重叠操作绑定完成后,接下来就是等待io请求的完成结果。有两种方式可以实现:调用WSAWaitForMultipleEvents函数或者SleepEx函数。

     通过WaitForMultipleEvents函数等待
WSAEVENT EventArray[];
EventArray[] = WSACreateEvent();// 建立一个事件
// 然后就等待重叠请求完成就可以了,注意保存返回值,这个很重要
DWORD dwIndex = WSAWaitForMultipleEvents(,EventArray,FALSE,WSA_INFINITE,TRUE);//注意fAlertable 参数即该函数最后 一个参数一定要设置为 TRUE
通过SleepEx函数进行等待,效果是一样的:
DWORD SleepEx(DWORD dwMilliseconds, // 等待的超时时间,如果设置为INFINITE就会一直等待下去
BOOL bAlertable // 是否置于警觉状态,如果为FALSE,则一定要等待超时时间完毕之后才会返回,这里我们是希望重叠操作一完成就能返回,所以同(1)一样,我们一定要设置为TRUE
);

(6)通过等待函数的返回值取得io请求的结果:在等待函数中,正常情况下,在操作完成之后,应该是返回WAIT_IO_COMPLETION,如果返回的是 WAIT_TIMEOUT,则表示等待设置的超时时间到了,但是重叠操作依旧没有完成,应该通过循环再继续等待。如果是其他返回值,那就坏事了,说明网络通信出现了其他异常,程序就可以报错退出了

     if(dwIndex == WAIT_IO_COMPLETION)
{
TRACE("重叠操作完成.../n");
}
else if( dwIndex==WAIT_TIMEOUT )
{
TRACE(“超时了,继续调用等待函数”);
}
else
{
TRACE(“废了…”);
}

(7)投递下一个io请求,重复4-7
15.读取io请求的最终结果数据:在WSARecv调用的时候,是传递了一个WSABUF的变量的,用于保存网络数据,而在我们写的完成例程回调函数里面,就可以取到客户端传送来的网络数据了。因为系统在调用我们完成例程函数的时候,其实网络操作已经完成了,WSABUF里面已经有我们需要的数据了,只是通过完成例程来进行后期的处理
示例代码:

 //完成例程实现重叠io模型伪代码
SOCKET acceptSock;
WSABUF dataBuf; void main()
{
WSAOVERLAPPED overlapped;
//1.初始化
//... //2.接收连接请求
acceptSock=accept(listenSock,NULL,NULL); //3.初始化重叠结构
UINT flag=;
ZeroMemory(&overlapped,sizeof(WSAOVERLAPPED));
dataBuf.len=DATA_BUFSIZE;
dataBuf.buf=buf; if (WSARecv(acceptSock,&dataBuf,,&recvBytes,&flag,&overlapped,workroutine)==SOCKET_ERROR)//最后一个参数时回调函数地址
{
if(WSAGetLastError()!=WSA_IO_PENDING)
{
printf("WSARecv() failed with error %d\n",WSAGetLastError());
return;
}
} //创建事件
eventArray[]=WSACreateEvent();
while (true)
{
int index=WSAWaitForMultipleEvents(,eventArray,FALSE,WSA_INFINITE,TRUE);//最后一个参数最好为true
if (index==WAIT_IO_COMPLETION)//io请求完成
{
break;
}
else//io请求出错
{
return;
}
}
//调用回调函开始进行处理
} void CALLBACK WorkRoutine(DWORD error,DWORD bytesTransferred,LPWSAOVERLAPPED overlapped,DWORD inflag)
{
DWORD sendBytes,recvBytes;
DWORD flags; if(error!=||bytesTransferred==)
{
closesocket(acceptSock);
return;
} flags=; ZeroMemory(&overlapped,sizeof(WSAOVERLAPPED));
dataBuf.len=DATA_BUFSIZE;
dataBuf.data=buf; if (WSARecv(acceptSock,&dataBuf,,&recvBytes,&flag,&overlapped,workroutine)==SOCKET_ERROR)//最后一个参数时回调函数地址
{
if(WSAGetLastError()!=WSA_IO_PENDING)
{
printf("WSARecv() failed with error %d\n",WSAGetLastError());
return;
}
}
}