网络程序设计——重叠I/O模型

news2025/1/20 7:12:20

1、重叠I/O

（1）概念

（2）重叠数据结构WSAOVERLAPPED

2、重叠I/O的相关函数

（1）套接字创建

（2）发送数据函数

（3）两种获取传输数据数量的方法

3、重叠I/O模型的编程框架

（1）使用事件通知方式进行重叠I/O的编程框架

（2）使用完成例程方式进行重叠I/O的编程框架

（3）以面向连接额的数据接收为例

4、重叠I/O模型评价

1、重叠I/O

（1）概念

重叠I/O模型是以Windows重叠I/O机制为基础的套接字I/O模型。Windows重叠I/O本来是一种文件操作技术。在传统文件操作中，文件的读写函数都是以阻塞模式工作的，当文件很大或磁盘读写速度较低时，程序运行就会长时间阻塞在文件的读写操作上，直到读写完成才返回。这样将浪费很多时间，导致程序性能下降。为了解决这个问题，Windows引进了重叠I/O的概念。能同时以多个线程处理多个I/O。
在重叠I/O下，应用程序在调用文件读写函数后函数会立即返回，而不必等待操作结束，文件读写的同时应用程序可以执行其他操作，这就是所谓的异步I/O操作。如果让应用程序连续进行多个文件读写函数的调用，使得系统同时执行多个文件的读写操作，就成为所谓的重叠I/O操作
WinSock的重叠I/O模型就是以重叠I/O机制为基础开发的。从WinSock2开始，重叠I/O模型便被引入到WinSock的扩展套接字函数中，这些扩展函数的格式不再与BSD套接字函数兼容，函数名均以WSA开头，比如recv()函数和send()函数的Windows扩展版分别为WSARecv()和WSASend()。应用程序要使用重叠I/O模型，就必须使用WinSock扩展套接字函数。

（2）重叠数据结构WSAOVERLAPPED

typedef struct _WSAOVERLAPPED{
ULONG_PTR Interal; //底层操作系统使用
ULONG_PTR InteralHigh; //底层操作系统使用
union{
    struct{
       DWORD offset; //套接字是忽略，文件操作使用。
       DWORD offsetHigh; //忽略
    };
PVOID Pointer; //忽略
};
HANDLE hEvent;//允许应用程序为这个操作关联一个事件对象句柄
}WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;

重叠I/O的事件通知方法需要Windows事件对象关联到WSAOVERLAPPED结构。当I/O完成时，会将WSAOVERLAPPED结构中的hEvents置为有信号状态。
通过调用WSAWaitForMultipleEvents()来等待I/O完成的通知，在得到通知信号后，就可以调用WSAGetOverlappedResult()来查询I/O操作的结果，并进行相关处理。WSAOVERLAPPED结构在重叠I/O请求初始化及其后续的完成之间提供一个沟通或通信机制。

2、重叠I/O的相关函数

（1）套接字创建

SOCKET WSASocket{

int af, int type, int protocol,
LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,//指定新套接字的特性
GROUP g, //保留
DWORD dwFlags//在重叠I/O模型中，需要设置为WSA_FLAG_OVERLAPPED。
};

（2）发送数据函数

int WSASend{

SOCKET s,
LPWSABUF lpBuffers,//指向WSABUF结构数组的指针
DWORD dwBufferCount,//记录lpBuffers数组中WSABUF结构的数目
LPDWORD lpNumberOfBytesSent, //返回指向发送的字节数的指针
DWORD dwFlags, //标志
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //指向重叠结构的指针
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
//指向发送操作完成后调用的完成例程

};

如果重叠操作立即完成，则返回0；如果重叠操作被成功初始化，并且稍后完成，则返回WSA_IO_PENDING。

（3）两种获取传输数据数量的方法

1）如果指定了完成例程，通过cbTransferred参数获取
2）通过WSAGetOverlappedResult()的参数lpcbTransferred获取。

3、重叠I/O模型的编程框架

WinSock可以使用事件通知和完成例程两种方式来实现重叠I/O的操作。

（1）使用事件通知方式进行重叠I/O的编程框架

套接字初始化，设置为重叠I/O模式；
创建套接字网络事件对应的用户事件对象；
初始化重叠结构，为套接字管理事件对象；
异步接收数据，无论能否接收到数据，都会直接返回；
调用WSAWaitForMultipleEvents()，在所有事件对象上等待，只要有一个事件对象变为授信状态，则返回；
调用WSAGetOverlappedResult()，获取套接字上的重叠操作状态，并保存到重叠结构中；
根据重置事件的状态进行处理；
重置已授信的事件对象、重叠结构、标志位和缓冲区；
回到步骤4。

（2）使用完成例程方式进行重叠I/O的编程框架

对于网络重叠I/O操作，等待I/O操作结束的另一种方法是使用完成例程。异步的发送和接收接口函数的参数中的最后一个参数lpCompletionROUTINE就是用来指向完成例程的指针。若指定此参数，hEvent参数将被忽略，上下文信息将传送给完成例程函数。

①完成例程函数原型

void CALLBACK CompletionROUTINE{
DWORD dwError, //指定lpOverlapped参数中表示的重叠操作的完成状态
DWORD cbTransferred, //传送完成的数据数量
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //指定重叠结构
DWORD dwFlags  //指定操作结束时的标记，通常设置为0
};

（3）以面向连接额的数据接收为例

套接字初始化，设置为重叠I/O模式；
初始化重叠结构；
异步传输数据，将重叠结构作为输入参数，并指定一个完成例程对应于数据传输后的处理；
调用WSAWaitForMultipleEvents()或SleepEx(),将自己的线程设置为一种可警告等待状态，等待一个重叠I/O请求完成，重叠请求完成后，完成例程会自动执行，在完成例程内，可随一个完成例程一起投递另一个重叠I/O操作；
回到步骤3。