【Win32 多线程程序设计基础第六章笔记】

云小逸2025-10-18 17:13

🌹 作者: 云小逸

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🤟 motto : 要敢于一个人默默的面对自己，强大自己才是核心 。不要等到什么都没有了，才下定决心去做。种一颗树，最好的时间是十年前，其次就是现在！学会自己和解，与过去和解，努力爱自己。希望春天来之前，我们一起面朝大海，春暖花开！

🥇 专栏:

文章目录

    • [📚 前言](#📚 前言)
    • [一. Overlapped I/O基础概念](#一. Overlapped I/O基础概念)
      • [1. 什么是Overlapped I/O（FAQ21）](#1. 什么是Overlapped I/O（FAQ21）)
      • [2. 为什么需要Overlapped I/O？](#2. 为什么需要Overlapped I/O？)
      • [3. Overlapped I/O与多线程的关系](#3. Overlapped I/O与多线程的关系)
    • [二. Win32文件操作核心函数](#二. Win32文件操作核心函数)
    • [二. 激发的File Handles：最简单的Overlapped I/O](#二. 激发的File Handles：最简单的Overlapped I/O)
      • [1. 原理：用文件句柄做"同步信号"](#1. 原理：用文件句柄做“同步信号”)
      • [2. GetOverlappedResult：获取I/O结果](#2. GetOverlappedResult：获取I/O结果)
      • [3. 示例：读文件的Overlapped I/O](#3. 示例：读文件的Overlapped I/O)
      • [4. 关键注意点](#4. 关键注意点)
    • [三. 激发的Event对象：区分多个异步I/O](#三. 激发的Event对象：区分多个异步I/O)
      • [1. 为什么需要Event对象？](#1. 为什么需要Event对象？)
      • [2. 必须用"手动重置"的Event](#2. 必须用“手动重置”的Event)
      • [3. 示例：多I/O操作的管理（节选自文档列表6-2）](#3. 示例：多I/O操作的管理（节选自文档列表6-2）)
      • [4. 执行结果分析](#4. 执行结果分析)
    • [四. 异步过程调用（APCs）：用回调函数处理I/O结果](#四. 异步过程调用（APCs）：用回调函数处理I/O结果)
      • [1. APC解决的问题](#1. APC解决的问题)
      • [2. 核心函数：ReadFileEx与WriteFileEx（FAQ26）](#2. 核心函数：ReadFileEx与WriteFileEx（FAQ26）)
      • [3. 线程的"Alertable"状态（FAQ27）](#3. 线程的“Alertable”状态（FAQ27）)
      • [4. 传递用户自定义数据（FAQ28）](#4. 传递用户自定义数据（FAQ28）)
      • [5. C++成员函数作为回调（FAQ29）](#5. C++成员函数作为回调（FAQ29）)
    • [五. 对文件进行Overlapped I/O的缺点](#五. 对文件进行Overlapped I/O的缺点)
      • [1. 小数据I/O可能"同步执行"](#1. 小数据I/O可能“同步执行”)
      • [2. 两种"必然同步"的情况](#2. 两种“必然同步”的情况)
      • [3. 效率对比](#3. 效率对比)
    • [六. I/O Completion Ports：高并发服务器的核心](#六. I/O Completion Ports：高并发服务器的核心)
    • [七. 对Sockets使用Overlapped I/O](#七. 对Sockets使用Overlapped I/O)
      • [1. Socket默认支持Overlapped I/O](#1. Socket默认支持Overlapped I/O)
      • [2. 为什么不用select()？（FAQ33）](#2. 为什么不用select()？（FAQ33）)
      • [3. ECHO范例的执行流程](#3. ECHO范例的执行流程)
    • [八. 提要](#八. 提要)
    • [📣 结语](#📣 结语)

📚 前言

在Win32多线程程序设计中，我们之前学过用线程处理后台任务（比如后台打印），但有些场景下，直接用"异步I/O"（即Overlapped I/O）能更高效地解决问题。比如当程序需要同时处理多个文件读写、网络通信等I/O操作时，Overlapped I/O可以让操作系统在后台完成I/O，操作结束后再通知程序，避免线程等待I/O时浪费CPU资源。

举个直观的例子：假设你通过拨号网络（RAS）从服务器读取100KB数据，在9600bps的网速下要近两分钟。如果程序用传统同步I/O，会卡在读取操作上，窗口完全没反应；但用Overlapped I/O，程序可以继续响应用户操作，直到数据读取完成再处理结果。

需要特别注意的是，Windows 95对Overlapped I/O有严格限制：仅支持named pipes（命名管道）、mailslots（邮槽）、serial I/O（串行I/O）和Sockets，不支持磁盘或光盘文件的Overlapped I/O。本章所有例子仅在Windows NT下有效（FAQ22）。

本章会从基础到进阶，逐步讲解Overlapped I/O的4种实现方式：激发的File Handles、激发的Event对象、异步过程调用（APCs）、I/O Completion Ports，最后还会介绍如何对Sockets使用Overlapped I/O。

一. Overlapped I/O基础概念

1. 什么是Overlapped I/O（FAQ21）

Overlapped I/O（重叠I/O）是Win32的一项技术，简单说就是"让操作系统帮你执行I/O操作，操作完成后通知你"。它的核心是"异步"------程序发起I/O请求后，不需要等待I/O完成，能继续做其他事；当I/O结束（比如数据读完、写完），操作系统会通过特定方式（如激发对象、回调函数）告知程序。

操作系统内部其实是用线程实现Overlapped I/O的，但对我们来说，不用手动管理线程，就能享受"并行I/O"的好处。

2. 为什么需要Overlapped I/O？

I/O设备（打印机、磁盘、网络）比CPU慢得多。比如磁盘传输率约5MB/秒，移动读写头平均要10ms，而CPU每秒能执行数千万条指令。如果程序"傻等"I/O完成，就是在浪费CPU资源。

举个租车店的例子：租车店有几位代理人，窗外有3辆敞篷车。如果4个客户同时来租敞篷车，每个代理人都先看"有车"，再写派车单，最后发现车不够------这就是没做好同步的问题。Overlapped I/O就像一个"车辆计数器"，能准确记录可用车辆，避免多个操作冲突。

3. Overlapped I/O与多线程的关系

Overlapped I/O可以替代部分线程的功能（比如处理多个I/O），但高阶场景下（如高并发服务器），通常会把"Overlapped I/O + I/O Completion Ports"和多线程结合，让线程池处理完成的I/O请求，实现高效的"可扩展（scalable）"架构。

二. Win32文件操作核心函数

要使用Overlapped I/O，必须先掌握3个核心Win32文件函数：CreateFile（打开文件/设备）、ReadFile（读数据）、WriteFile（写数据），以及关键的OVERLAPPED结构。

1. 核心I/O函数解析

（1）CreateFile：打开文件/设备

CreateFile不仅能打开普通文件，还能打开串行口、Sockets、named pipes等设备。要启用Overlapped I/O，必须在第6个参数dwFlagsAndAttributes中指定FILE_FLAG_OVERLAPPED。

函数原型关键部分：

c 复制代码 
HANDLE CreateFile(
    LPCTSTR lpFileName,       // 文件名/设备名
    DWORD dwDesiredAccess,    // 读写权限（如GENERIC_READ）
    DWORD dwShareMode,        // 共享模式（如FILE_SHARE_READ）
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // 安全属性（NULL为默认）
    DWORD dwCreationDisposition, // 文件创建方式（如OPEN_EXISTING）
    DWORD dwFlagsAndAttributes,  // 关键！指定FILE_FLAG_OVERLAPPED启用异步I/O
    HANDLE hTemplateFile        // 模板文件（NULL）
);

一旦用FILE_FLAG_OVERLAPPED打开文件，后续对该文件的所有读写操作都必须是Overlapped I/O。

（2）ReadFile与WriteFile：异步读写

ReadFile和WriteFile是执行异步读写的函数，它们的最后一个参数是LPOVERLAPPED（指向OVERLAPPED结构的指针），这是Overlapped I/O的核心参数。

以ReadFile为例，函数原型关键部分：

c 复制代码 
BOOL ReadFile(
    HANDLE hFile,                  // 要读的文件/设备句柄（CreateFile返回）
    LPVOID lpBuffer,               // 接收数据的缓冲区
    DWORD nNumberOfBytesToRead,    // 要读取的字节数
    LPDWORD lpNumberOfBytesRead,   // 实际读取的字节数（异步时可能为NULL）
    LPOVERLAPPED lpOverlapped      // 关键！Overlapped结构指针
);

WriteFile的参数类似，只是把"读"换成"写"。

2. OVERLAPPED结构：异步I/O的"身份证"

OVERLAPPED结构有两个核心作用：一是标识每个异步I/O请求（比如区分"读文件A"和"读文件B"）；二是传递I/O相关参数（如文件读取的起始位置）。

结构定义如下：

c 复制代码 
typedef struct _OVERLAPPED {
    DWORD Internal;        // 系统保留，用于存储状态
    DWORD InternalHigh;    // 系统保留，用于存储实际传输的字节数
    DWORD Offset;          // 文件读写的起始偏移（低32位）
    DWORD OffsetHigh;      // 文件读写的起始偏移（高32位，支持大文件）
    HANDLE hEvent;        // 事件对象句柄（I/O完成时激发）
} OVERLAPPED, *LPOVERLAPPED;

各成员的详细说明如下表（表格6-1）：

成员名称 说明
Internal 系统保留。当GetOverlappedResult返回FALSE且GetLastError不是ERROR_IO_PENDING时，存储系统状态
InternalHigh 系统保留。当GetOverlappedResult返回TRUE时，存储实际传输的字节数
Offset 文件读写的起始偏移（从文件头开始算），单位字节。不支持文件位置的设备（如管道）会忽略此值
OffsetHigh 64位文件偏移的高32位，用于处理超过4GB的大文件。不支持文件位置的设备会忽略此值
hEvent 手动重置的Event对象句柄（I/O完成时会被激发）。ReadFileEx/WriteFileEx会忽略此值，可用于传递用户数据

注意 ：OVERLAPPED结构的生命周期要超过ReadFile/WriteFile的调用------不能定义为局部变量（函数结束后会被销毁），最好在堆（heap）上分配。

3. 不能用C Runtime的stdio函数（FAQ23）

C语言标准库的stdio.h函数（如fopen、fread、printf）不支持Overlapped I/O。比如fgets虽然能读一行文字，但无法异步执行。如果要做异步文本I/O，只能用Win32 API手动处理（如用ReadFile读字节，再自己解析换行符）。

二. 激发的File Handles：最简单的Overlapped I/O

1. 原理：用文件句柄做"同步信号"

打开支持Overlapped I/O的文件后，文件句柄（HANDLE）本身就是一个核心对象 ------当异步I/O操作完成时，文件句柄会自动变成"激发状态"。我们可以用WaitForSingleObject或WaitForMultipleObjects等待这个句柄，就能知道I/O是否完成。

流程如下：

  1. 用FILE_FLAG_OVERLAPPED打开文件，得到文件句柄hFile；
  2. 初始化OVERLAPPED结构（指定读写偏移等）；
  3. 调用ReadFile/WriteFile发起异步I/O；
  4. 用WaitForSingleObject(hFile, INFINITE)等待I/O完成；
  5. 调用GetOverlappedResult获取I/O结果（如实际读写的字节数、是否成功）。

2. GetOverlappedResult：获取I/O结果

GetOverlappedResult是关键函数，它能获取异步I/O的最终结果，功能类似"WaitForSingleObject + 结果查询"的结合。

函数原型：

c 复制代码 
BOOL GetOverlappedResult(
    HANDLE hFile,                  // 异步I/O对应的文件句柄
    LPOVERLAPPED lpOverlapped,     // 发起I/O时用的OVERLAPPED结构
    LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, // 实际传输的字节数
    BOOL bWait                     // 是否等待I/O完成（TRUE=等待，FALSE=不等待）
);
  • 返回值：TRUE表示I/O成功，FALSE表示失败（如读文件出错）；
  • 若bWait=TRUE，函数会等待I/O完成后再返回；若bWait=FALSE且I/O未完成，GetLastError会返回ERROR_IO_INCOMPLETE。

3. 示例：读文件的Overlapped I/O

以下是从C:\WINDOWS\WINFILE.EXE的第1500字节开始，异步读取300字节的核心代码（节选自文档列表6-1）：

c 复制代码 
int ReadSomething() {
    BOOL rc;
    HANDLE hFile;
    DWORD numread;
    OVERLAPPED overlap;
    char buf[512];

    // 1. 用Overlapped模式打开文件
    hFile = CreateFile(
        "C:\\WINDOWS\\WINFILE.EXE",
        GENERIC_READ,
        FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_FLAG_OVERLAPPED,  // 启用Overlapped I/O
        NULL
    );
    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) return -1;

    // 2. 初始化OVERLAPPED结构（从第1500字节开始读）
    memset(&overlap, 0, sizeof(overlap));
    overlap.Offset = 1500;  // 读取起始偏移

    // 3. 发起异步读请求
    rc = ReadFile(hFile, buf, 300, &numread, &overlap);

    if (rc) {
        // 情况1：I/O立即完成（如数据在缓存中）
        printf("数据已立即读取完成\n");
    } else {
        // 情况2：I/O排队等待（需要等操作系统完成）
        if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING) {
            // 等待I/O完成（文件句柄激发）
            WaitForSingleObject(hFile, INFINITE);
            // 获取I/O结果
            rc = GetOverlappedResult(hFile, &overlap, &numread, FALSE);
        } else {
            // 真的出错了（如文件不存在）
            printf("ReadFile失败\n");
        }
    }

    // 4. 关闭文件句柄
    CloseHandle(hFile);
    return TRUE;
}

4. 关键注意点

  • I/O可能立即完成 ：即使指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED，如果数据已在系统缓存中，ReadFile/WriteFile会立即返回TRUE，文件句柄也会处于激发状态；
  • 区分"排队"和"错误" ：ReadFile返回FALSE时，必须用GetLastError()判断是"I/O排队（ERROR_IO_PENDING）"还是真的出错（如ERROR_FILE_NOT_FOUND）；
  • 无"当前文件位置" ：用Overlapped I/O时，文件没有"当前位置"的概念------每次读写都必须在OVERLAPPED结构中指定Offset和OffsetHigh（起始偏移）。

三. 激发的Event对象：区分多个异步I/O

1. 为什么需要Event对象？

用"激发的File Handles"有个明显缺点：如果对同一个文件发起多个异步I/O（比如同时读文件的不同部分），所有操作共用一个文件句柄------当句柄激发时，无法区分是哪个I/O操作完成了。

比如对一个文件同时发起"读偏移100字节"和"读偏移200字节"两个请求，文件句柄激发后，不知道该调用哪个GetOverlappedResult。

解决方案是：给每个异步I/O分配一个独立的Event对象 ，通过OVERLAPPED结构的hEvent成员关联Event------I/O完成时，对应的Event会被激发，这样就能通过等待Event来区分不同I/O。

2. 必须用"手动重置"的Event

Event对象有两种类型：自动重置（Auto Reset）和手动重置（Manual Reset）。在Overlapped I/O中，必须用手动重置的Event （CreateEvent的第二个参数bManualReset=TRUE），原因如下：

如果用自动重置Event，系统在激发Event后会立即将其重置为"未激发状态"。如果I/O完成时，程序还没来得及等待Event，Event的"激发状态"就会丢失，导致WaitFor...函数永远等待。而手动重置Event被激发后，会一直保持激发状态，直到程序调用ResetEvent手动重置。

3. 示例：多I/O操作的管理（节选自文档列表6-2）

以下代码演示如何用Event对象管理多个异步读请求（如同时读一个文件的5个不同部分）：

c 复制代码 
// 全局变量：存储每个I/O的Event、OVERLAPPED、缓冲区
#define MAX_REQUESTS 5  // 最多5个异步请求
HANDLE ghEvents[MAX_REQUESTS];       // 每个I/O对应一个Event
OVERLAPPED gOverlapped[MAX_REQUESTS];// 每个I/O的OVERLAPPED结构
HANDLE ghFile;                       // 目标文件句柄
char gBuffers[MAX_REQUESTS][512];    // 每个I/O的缓冲区

// 函数：发起一个异步读请求
int QueueRequest(int nIndex, DWORD dwLocation, DWORD dwAmount) {
    BOOL rc;
    DWORD dwNumread;

    // 1. 创建手动重置的Event
    ghEvents[nIndex] = CreateEvent(
        NULL,       // 安全属性（默认）
        TRUE,       // 手动重置（关键！）
        FALSE,      // 初始状态：未激发
        NULL        // 无名称
    );
    if (ghEvents[nIndex] == NULL) return -1;

    // 2. 关联Event到OVERLAPPED结构
    gOverlapped[nIndex].hEvent = ghEvents[nIndex];
    gOverlapped[nIndex].Offset = dwLocation;  // 读起始偏移

    // 3. 发起异步读
    rc = ReadFile(
        ghFile,
        gBuffers[nIndex],  // 缓冲区
        dwAmount,         // 要读的字节数
        &dwNumread,
        &gOverlapped[nIndex]
    );

    if (rc) {
        // I/O立即完成
        printf("读请求%d：立即完成\n", nIndex);
        return TRUE;
    } else {
        if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING) {
            // I/O排队等待
            printf("读请求%d：已排队\n", nIndex);
            return TRUE;
        } else {
            // 出错（如内存不足）
            printf("ReadFile失败\n");
            return -1;
        }
    }
}

4. 执行结果分析

当我们发起5个读请求时，可能出现部分请求"立即完成"、部分"排队"的情况。比如Windows NT会对已缓存的数据直接返回结果，未缓存的数据则排队异步读取。以下是一个实际执行结果：

复制代码 
读请求0：已排队
读请求1：立即完成
读请求2：立即完成
读请求3：立即完成
读请求4：立即完成
// 等待所有I/O完成后
读请求0：返回1，读取512字节
读请求1：返回1，读取512字节
...

四. 异步过程调用（APCs）：用回调函数处理I/O结果

1. APC解决的问题

用Event对象虽然能区分多个I/O，但有两个局限：

  1. WaitForMultipleObjects最多只能等待64个对象（MAXIMUM_WAIT_OBJECTS），无法支持更多I/O；
  2. 需要手动维护"Event数组"和"OVERLAPPED数组"的对应关系，代码繁琐。

异步过程调用（APCs，Asynchronous Procedure Calls）能解决这些问题：通过ReadFileEx/WriteFileEx指定一个"回调函数"（I/O Completion Routine），当I/O完成且线程处于"可提醒（Alertable）"状态时，系统会自动调用这个回调函数，直接在回调中处理I/O结果。

2. 核心函数：ReadFileEx与WriteFileEx（FAQ26）

ReadFileEx和WriteFileEx是支持APCs的异步I/O函数，它们比ReadFile/WriteFile多一个参数------回调函数地址。以ReadFileEx为例：

c 复制代码 
BOOL ReadFileEx(
    HANDLE hFile,
    LPVOID lpBuffer,
    DWORD nNumberOfBytesToRead,
    LPOVERLAPPED lpOverlapped,
    LPOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine  // 回调函数
);

其中lpCompletionRoutine是回调函数指针，函数原型固定为：

c 复制代码 
VOID WINAPI FileIOCompletionRoutine(
    DWORD dwErrorCode,          // I/O结果（0=成功，ERROR_HANDLE_EOF=文件尾）
    DWORD dwNumberOfBytesTransferred,  // 实际传输的字节数
    LPOVERLAPPED lpOverlapped   // 关联的OVERLAPPED结构
);

3. 线程的"Alertable"状态（FAQ27）

系统不会"强行"调用回调函数，只有当线程处于"可提醒（Alertable）"状态时，才会执行等待中的APC回调。线程进入Alertable状态的方式是：调用以下5个函数时，将"可提醒标记"设为TRUE：

  • SleepEx()：带可提醒的睡眠；
  • WaitForSingleObjectEx()：带可提醒的等待单个对象；
  • WaitForMultipleObjectsEx()：带可提醒的等待多个对象；
  • MsgWaitForMultipleObjectsEx()：带可提醒的等待消息和对象；
  • SignalObjectAndWait()：带可提醒的信号和等待。

比如调用WaitForSingleObjectEx(ghEvent, INFINITE, TRUE)，线程会等待ghEvent激发，同时处于Alertable状态------如果此时有I/O完成，系统会先调用回调函数，再回到等待。

4. 传递用户自定义数据（FAQ28）

回调函数只有3个参数，要传递自定义数据（如"这个I/O对应的业务标识"），可以利用OVERLAPPED结构的hEvent成员------因为ReadFileEx/WriteFileEx会忽略hEvent，我们可以用它存储自定义数据的指针。

示例：在OVERLAPPED的hEvent中存储请求索引，回调中通过lpOverlapped->hEvent获取：

c 复制代码 
// 发起I/O时：将请求索引存入hEvent
gOverlapped[nIndex].hEvent = (HANDLE)nIndex;

// 回调函数中：获取索引
VOID WINAPI FileIOCompletionRoutine(
    DWORD dwErrorCode,
    DWORD dwNumberOfBytesTransferred,
    LPOVERLAPPED lpOverlapped
) {
    int nIndex = (int)(lpOverlapped->hEvent);  // 取出自定义索引
    printf("请求%d：%d字节已读取，结果：%d\n", 
           nIndex, dwNumberOfBytesTransferred, dwErrorCode);
}

5. C++成员函数作为回调（FAQ29）

C++的非静态成员函数有this指针，不能直接作为APC回调（回调函数要求无this指针）。解决方案是：

  1. 定义一个静态成员函数作为回调；
  2. 在OVERLAPPED的hEvent中存储this指针（对象地址）；
  3. 在静态回调中，通过hEvent取出this，再调用非静态成员函数。

示例代码逻辑：

c 复制代码 
class MyClass {
public:
    // 静态回调函数（符合APC回调原型）
    static VOID WINAPI StaticCompletionRoutine(
        DWORD dwErrorCode,
        DWORD dwBytesTransferred,
        LPOVERLAPPED lpOverlapped
    ) {
        // 从hEvent取出this指针
        MyClass* pThis = (MyClass*)(lpOverlapped->hEvent);
        // 调用非静态成员函数处理结果
        pThis->OnIOComplete(dwErrorCode, dwBytesTransferred);
    }

    // 非静态函数：实际处理I/O结果
    void OnIOComplete(DWORD dwErrorCode, DWORD dwBytesTransferred) {
        // 处理逻辑...
    }

    // 发起异步I/O
    void StartAsyncRead(HANDLE hFile) {
        OVERLAPPED overlap;
        memset(&overlap, 0, sizeof(overlap));
        overlap.hEvent = this;  // 存储this指针

        ReadFileEx(hFile, m_buf, 512, &overlap, StaticCompletionRoutine);
    }

private:
    char m_buf[512];
};

五. 对文件进行Overlapped I/O的缺点

虽然Overlapped I/O很强大，但对文件操作时存在一些反直觉的缺点：

1. 小数据I/O可能"同步执行"

Windows NT会根据I/O请求的大小决定是否"真异步"：如果请求的数据很小（比如小于32KB），系统可能会"同步执行"I/O，即ReadFile/ReadFileEx会卡住直到I/O完成，失去异步的意义。

原因是：小数据的I/O时间（如读8KB数据约1.8ms）远小于线程切换、系统通知的额外开销（约12ms），同步执行反而更高效。但这会导致程序在小数据I/O时依然卡顿。

2. 两种"必然同步"的情况

即使指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED，以下两种情况的I/O必然同步执行：

  1. 文件扩展：写入操作导致文件大小增加（如在文件末尾追加数据）；
  2. 压缩文件：读写NTFS压缩文件时，系统需要实时压缩/解压数据，只能同步执行。

3. 效率对比

测试表明：对一系列小于32KB的文件传输，用Overlapped I/O比传统同步I/O慢15%。因此，在Web服务器（大部分请求是小数据）等场景，用"线程池+同步I/O"可能比Overlapped I/O更高效。

六. I/O Completion Ports：高并发服务器的核心

I/O Completion Ports（I/O完成端口）是Windows NT 3.5引入的高阶Overlapped I/O机制，专门解决"高并发I/O"场景（如Web服务器、数据库服务器），是本章最重要的内容（FAQ30、31）。

1. 为什么I/O Completion Ports特殊？（FAQ31）

它解决了之前所有方案的局限：

  • 无handle数量限制 ：突破WaitForMultipleObjects的64个对象限制，支持成千上万的并发I/O；
  • 跨线程服务：发起I/O的线程和处理I/O结果的线程可以是不同的，适合线程池架构；
  • 自动负载均衡：根据CPU数量调整并发线程数，避免过多线程导致的上下文切换开销，支持SMP（对称多处理器）系统。

2. 服务器的3种线程模型

在了解Completion Ports前，先明确服务器的线程模型，Completion Ports对应"每CPU一线程"的最优模型：

模型 特点 缺点
单一线程 用Overlapped I/O处理所有I/O 若线程需处理计算（如解析数据），会阻塞所有I/O
每Client一线程 为每个客户端连接创建一个线程 线程过多（如2000个），系统资源耗尽
每CPU一线程（最优） 线程池大小=CPU数量，处理所有I/O结果 需Completion Ports支持负载均衡

3. I/O Completion Ports的核心流程

使用Completion Ports需要5个步骤，流程清晰且可复用：

步骤1：创建I/O Completion Port

用CreateIoCompletionPort创建Completion Port（核心对象）：

c 复制代码 
HANDLE CreateIoCompletionPort(
    HANDLE FileHandle,          // 文件/设备句柄（INVALID_HANDLE_VALUE=仅创建Port）
    HANDLE ExistingCompletionPort,  // 已有的Completion Port（NULL=新建）
    DWORD CompletionKey,        // 用户自定义Key（关联到文件句柄，如业务标识）
    DWORD NumberOfConcurrentThreads  // 并发线程数（0=默认=CPU数量）
);
  • 若要"仅创建Port"，将FileHandle设为INVALID_HANDLE_VALUE，ExistingCompletionPort设为NULL；
  • NumberOfConcurrentThreads设为0时，系统会根据CPU数量自动调整并发线程数（如4核CPU允许4个线程同时处理I/O结果）。
步骤2：关联文件/设备句柄到Port

对每个需要异步I/O的文件/设备（如Sockets、named pipes），调用CreateIoCompletionPort将其与Completion Port关联：

c 复制代码 
// 假设hPort是已创建的Completion Port，hFile是用FILE_FLAG_OVERLAPPED打开的文件句柄
CreateIoCompletionPort(
    hFile,          // 要关联的文件句柄
    hPort,          // 目标Completion Port
    (DWORD)pKey,    // 自定义Key（如指向业务数据的指针）
    0              // 并发线程数（用Port的默认值）
);

关联后，该文件的所有异步I/O完成时，系统会自动向Completion Port发送一个"完成包（Completion Packet）"。

步骤3：创建线程池

创建一组线程（数量通常=CPU数量×2+2），每个线程的唯一工作是：调用GetQueuedCompletionStatus等待Completion Port的完成包，收到后处理I/O结果。

线程函数核心逻辑：

c 复制代码 
DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID pParam) {
    HANDLE hPort = (HANDLE)pParam;
    DWORD dwBytesTransferred;
    DWORD dwCompletionKey;  // 步骤2关联的自定义Key
    LPOVERLAPPED lpOverlapped;

    while (TRUE) {
        // 等待Completion Port的完成包
        BOOL bResult = GetQueuedCompletionStatus(
            hPort,
            &dwBytesTransferred,  // 实际传输的字节数
            &dwCompletionKey,     // 取出自定义Key
            &lpOverlapped,        // 关联的OVERLAPPED结构
            INFINITE              // 无限等待
        );

        if (bResult) {
            // 情况1：收到正常完成包，处理I/O结果
            // 从dwCompletionKey和lpOverlapped获取业务数据，处理逻辑...
        } else {
            if (lpOverlapped == NULL) {
                // 情况2：函数调用失败（如Port无效）
                break;
            } else {
                // 情况3：I/O操作失败（如读文件出错）
                // 处理错误逻辑...
            }
        }
    }
    return 0;
}
步骤4：发起异步I/O请求

用ReadFile/WriteFile（或ReadFileEx/WriteFileEx）发起异步I/O，不需要手动等待------I/O完成后，系统会自动向Completion Port发送完成包，线程池中的线程会被唤醒处理。

步骤5：处理完成包

线程池中的线程通过GetQueuedCompletionStatus获取完成包后，根据dwCompletionKey（自定义业务Key）和lpOverlapped（I/O参数）处理结果，比如解析读取的数据、回写响应等。

4. 线程池数量建议（FAQ32）

Completion Port的线程池数量不是越多越好，建议设为"CPU数量×2+2"。比如4核CPU设10个线程，原因是：

  • 当部分线程因I/O（如等待网络响应）阻塞时，其他线程能继续处理完成包；
  • 避免线程过多导致的上下文切换开销，保持CPU利用率最大化。

5. 示例：ECHO服务器（基于Sockets和Completion Ports）

文档中的ECHO范例是Completion Ports的经典应用：服务器监听TCP端口5554，收到客户端数据后原样回显（类似标准TCP的7号端口）。核心逻辑如下：

（1）服务器初始化（节选自列表6-4）
c 复制代码 
int main() {
    SOCKET listener;  // 监听Socket
    HANDLE hPort;     // Completion Port

    // 1. 创建Completion Port
    hPort = CreateIoCompletionPort(
        INVALID_HANDLE_VALUE,
        NULL,
        0,
        0  // 并发线程数=CPU数量
    );

    // 2. 创建线程池（数量=CPU×2+2）
    CreateWorkerThreads(hPort);

    // 3. 初始化监听Socket，开始接受客户端连接
    listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bind(listener, ...);  // 绑定端口
    listen(listener, 5);

    // 4. 循环接受连接，关联Socket到Completion Port
    while (TRUE) {
        SOCKET clientSock = accept(listener, ...);  // 接受客户端连接
        // 创建业务数据结构（存储Socket、缓冲区等）
        ContextKey* pKey = (ContextKey*)calloc(1, sizeof(ContextKey));
        pKey->sock = clientSock;

        // 关联客户端Socket到Completion Port
        CreateIoCompletionPort(
            (HANDLE)clientSock,
            hPort,
            (DWORD)pKey,  // 业务Key=业务数据指针
            0
        );

        // 5. 发起第一个异步读请求（读客户端数据）
        IssueRead(pKey);
    }
    return 0;
}
（2）线程池创建（节选自列表6-5）
c 复制代码 
void CreateWorkerThreads(HANDLE hPort) {
    SYSTEM_INFO sysInfo;
    GetSystemInfo(&sysInfo);  // 获取CPU数量
    DWORD dwThreads = sysInfo.dwNumberOfProcessors * 2 + 2;  // 线程数

    for (DWORD i=0; i<dwThreads; i++) {
        HANDLE hThread = CreateThread(
            NULL,
            0,
            WorkerThread,  // 线程函数
            hPort,         // 参数=Completion Port句柄
            0,
            &dwThreadId
        );
        CloseHandle(hThread);
    }
}
（3）线程函数处理完成包（节选自列表6-6）
c 复制代码 
DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID pParam) {
    HANDLE hPort = (HANDLE)pParam;
    DWORD dwBytesTransferred;
    ContextKey* pKey;  // 业务数据
    LPOVERLAPPED lpOverlapped;

    while (TRUE) {
        // 等待完成包
        BOOL bResult = GetQueuedCompletionStatus(
            hPort, &dwBytesTransferred, (DWORD*)&pKey, &lpOverlapped, INFINITE
        );

        if (bResult && dwBytesTransferred > 0) {
            // 处理客户端数据：将收到的字节回显给客户端
            char* pData = pKey->InBuffer;
            WriteFile(
                (HANDLE)pKey->sock, pData, dwBytesTransferred, 
                &pKey->dwWritten, &pKey->ovOut
            );

            // 发起下一次异步读，继续接收客户端数据
            IssueRead(pKey);
        } else {
            // 客户端断开连接，清理资源
            closesocket(pKey->sock);
            free(pKey);
        }
    }
    return 0;
}

七. 对Sockets使用Overlapped I/O

Sockets是Overlapped I/O的重要应用场景，比如Web服务器、即时通讯软件等。以下是关键要点：

1. Socket默认支持Overlapped I/O

创建Socket时，不需要额外标记，默认就支持Overlapped I/O。但要将Socket与I/O Completion Port关联（通过CreateIoCompletionPort），才能用Completion Port管理Socket的异步I/O。

2. 为什么不用select()？（FAQ33）

select()是传统的"多路复用I/O"方法，能同时监听多个Socket的读写事件，但存在明显缺点：

  • 效率低 ：每次调用select()都要传递所有Socket的集合，系统需要遍历检查，Socket越多越慢；
  • 不支持SMP ：select()无法利用多CPU的优势，线程只能单进程处理所有事件；
  • 有句柄限制 ：select()支持的Socket数量有限（通常是1024）。

而I/O Completion Port没有这些问题，是高并发Socket服务器的首选方案。

3. ECHO范例的执行流程

文档中的ECHO范例包含服务器（ECHOSRV）和客户端（ECHOCLI）：

  1. 服务器启动后，创建Completion Port和线程池，监听TCP端口5554；
  2. 客户端连接服务器，发送输入的字符串；
  3. 服务器的Worker线程收到"读完成包"，将数据原样回写给客户端；
  4. 客户端收到回显数据，打印结果。

该范例支持同时处理多个客户端连接，且能充分利用多CPU资源。

八. 提要

本章我们系统学习了Overlapped I/O的4种实现方式，从简单到复杂：

  1. 激发的File Handles：最简单的异步I/O，用文件句柄作为同步信号，适合单个I/O操作；
  2. 激发的Event对象：用独立Event区分多个I/O，适合少量并发I/O；
  3. APCs：用回调函数处理I/O结果，避免手动管理Event数组，适合中等并发；
  4. I/O Completion Ports：最强大的方案，支持高并发、跨线程服务、负载均衡，是高并发服务器（如Web、数据库）的核心。

其中，I/O Completion Ports是重点，它解决了Overlapped I/O的所有局限，能在SMP系统上实现"可扩展"的高并发I/O处理。

📣 结语

恭喜你完成了Win32 Overlapped I/O的学习！从基础的File Handles到高阶的I/O Completion Ports，你已经掌握了Win32异步I/O的核心技术，这些知识在网络编程、文件处理等场景中能大幅提升程序效率。

如果你觉得本章内容有帮助，记得点赞、收藏和关注，后续会继续深入Win32多线程的其他高级主题（如MFC中的线程、DLL与线程等）。

学习编程没有捷径，多敲代码、多调试范例（比如本章的ECHO服务器），才能真正掌握这些技术。让我们一起加油，从"新手"逐步成长为"Win32开发高手"！

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