Глава 14

Асинхронный ввод/вывод и порты завершения

Операциям ввода и вывода присуща более медленная скорость выполнения по сравнению с другими видами обработки. Причиной такого замедления являются следующие факторы:

• Задержки, обусловленные затратами времени на поиск нужных дорожек и секторов на устройствах произвольного доступа (диски, компакт-диски).

• Задержки, обусловленные сравнительно низкой скоростью обмена данными между физическими устройствами и системной памятью.

• Задержки при передаче данных по сети с использованием файловых, серверов, хранилищ данных и так далее.

Во всех предыдущих примерах операции ввода/вывода выполняются синхронно с потоком, поэтому весь поток вынужден простаивать, пока они не завершатся.

В этой главе показано, каким образом можно организовать продолжение выполнения потока, не дожидаясь завершения операций ввода/вывода, что будет соответствовать выполнению потоками асинхронного ввода/вывода. Различные методики, доступные в Windows, иллюстрируются примерами.

Некоторые из этих методик используются в таймерах ожидания, которые также описываются в настоящей главе.

Наконец, что особенно важно, изучив стандартные асинхронные операции ввода/вывода, мы сможем использовать порты завершения ввода/вывода, которые оказываются чрезвычайно полезными при построении масштабируемых серверов, способных обеспечивать поддержку большого количества клиентов без создания для каждого из них отдельного потока. Программа 14.4 представляет собой модифицированный вариант разработанного ранее сервера, позволяющий использовать порты завершения ввода/вывода.

Обзор методов асинхронного ввода/вывода Windows

В Windows выполнение асинхронного ввода/вывода обеспечивается в соответствии с тремя методиками.

• Многопоточный ввод/вывод (Multihreaded I/O). Каждый из потоков внутри процесса или набора процессов выполняет обычный синхронный ввод/вывод, но при этом другие потоки могут продолжать свое выполнение.

• Перекрывающийся ввод/вывод (Overlapped I/O). Запустив операцию чтения, записи или иную операцию ввода/вывода, поток продолжает свое выполнение. Если потоку для продолжения выполнения требуются результаты ввода/вывода, он ожидает, пока не станет доступным соответствующий дескриптор или не наступит заданное событие. В Windows 9x перекрывающийся ввод/вывод поддерживается только для последовательных устройств, например именованных каналов.

• Процедуры завершения (или расширенный ввод/вывод) (Completion routines (extended I/O)). Когда наступает завершение операций ввода/вывода, система вызывает специальную процедуру завершения, выполняющуюся внутри потока. Расширенный ввод/вывод для дисковых файлов в Windows 9x не поддерживается.

Многопоточный ввод/вывод с использованием именованных каналов применен в сервере с многопоточной поддержкой, который рассматривался в главе 11. Программа grepMT (программа 7.1) управляет параллельным выполнением операций ввода/вывода с участием нескольких файлов. Таким образом, мы уже располагаем рядом программ, которые выполняют многопоточный ввод/вывод и тем самым обеспечивают одну из форм асинхронного ввода/вывода.

Перекрывающийся ввод/вывод является предметом рассмотрения следующего раздела, а в приведенных в нем примерах, реализующих преобразование файлов (из ASCII в UNICODE), эта методика применена для иллюстрации возможностей последовательной обработки файлов. С этой целью используется видоизмененный вариант программы 2.4. Вслед за перекрывающимся вводом/выводом рассматривается расширенный ввод/вывод, использующий процедуры завершения.

Примечание

Методы перекрывающегося и расширенного ввода/вывода часто оказываются сложными в реализации, редко обеспечивают какие-либо преимущества в отношении производительности, иногда даже становясь причиной ее ухудшения, а в случае файлового ввода/вывода способны работать лишь под управлением Windows NT. Эти проблемы преодолеваются с помощью потоков, поэтому, вероятно, многие читатели захотят сразу же перейти к разделам, посвященным таймерам ожидания и портам завершения ввода/вывода,возвращаясь к этому разделу по мере необходимости. С другой стороны, элементы асинхронного ввода/вывода присутствуют как в устаревших, так и в новых технологиях, в связи с чем эти методы все-таки стоит изучить.

Так, технология СОМ на платформе NT5 поддерживает асинхронный вызов методов, поэтому указанная методика может пригодиться многим читателям, которые используют или собираются использовать технологию СОМ. Кроме того, много общего с расширенным вводом/выводом имеют операции асинхронного вызова процедур (глава 10), и хотя лично я предпочитаю использовать потоки, другие могут отдать предпочтение именно этому механизму.

Перекрывающийся ввод/вывод

Первое, что необходимо сделать для организации асинхронного ввода/вывода, будь то перекрывающегося или расширенного, — это установить атрибут перекрывания (overlapped attribute) для файлового или иного дескриптора. Для этого при вызове CreateFile или иной функции, в результате которого создается файл, именованный канал или иной дескриптор, следует указать флаг FILE_FLAG_OVERLAPPED.

В случае сокетов (глава 12), независимо от того, были они созданы с использованием функции socket или accept, атрибут перекрывания устанавливается по умолчанию в Winsock 1.1, но должен устанавливаться явным образом в Winsock 2.0. Перекрывающиеся сокеты могут использоваться в асинхронном режиме во всех версиях Windows.

До этого момента структуры OVERLAPPED использовались нами совместно с функцией LockFileEx, а также в качестве альтернативы использованию функции SetFilePointer (глава 3), но они также являются существенным элементом перекрывающегося ввода/вывода. Эти структуры выступают в качестве необязательных параметров при вызове четырех приведенных ниже функций, которые могут блокироваться при завершении операций.

ReadFile

WriteFile

TransасtNamedPipe

ConnectNamedPipe

Вспомните, что при указании флага FILE_FLAG_OVERLAPPED в составе параметра dwAttrsAndFlags (в случае функции CreateFile) или параметра dwOpen-Mode (в случае функции CreateNamedPipe) соответствующие файл или канал могут использоваться только в режиме перекрывания. С анонимными каналами перекрывающийся ввод/вывод не работает.

Примечание

В документации по функции CreateFile есть упоминание о том, что использование флага FILE_FLAG_NO_BUFFERING улучшает характеристики быстродействия перекрывающегося ввода/вывода. Эксперименты показывают лишь незначительное повышение производительности (примерно на 15%, что может быть проверено путем экспериментирования с программой 14.1), но вы должны убедиться в том, что суммарный размер считываемых данных при выполнении операций ReadFile или WriteFile, кратен размеру сектора диска.