完成端口

时间 2019-11-13

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完成端口听起来好像很神秘和复杂，其实并无想象的那么难。这方面的文章在论坛上能找到的我差很少都看过，写得好点的就是CSDN.NET上看到的一组系列文章，不过我认为它只是简单的翻译了一下Network Programming for Microsoft Windows 2nd 中的相关内容，附上的代码好像不是原书中的，多是另外一本外文书里的。我看了之后，以为还不如看原版的更容易理解。因此在个人开始部分，我主要带领初学者理解一下完成端口的有关内容，是我开发的经验，其余的请参考原书的相关内容。
采用完成端口的好处是，操做系统的内部重叠机制能够保证大量的网络请求都被服务器处理，而不是像WSAAsyncSelect 和WSAEventSelect的那样对并发的网络请求有限制，这一点从上一章的测试表格中能够清楚的看出。
完成端口就像一种消息通知的机制，咱们建立一个线程来不断读取完成端口状态，接收到相应的完成通知后，就进行相应的处理。其实感受就像 WSAAsyncSelect同样，不过仍是有一些的不一样。好比咱们想接收消息，WSAAsyncSelect会在消息到来的时候直接通知Windows 消息循环，而后就能够调用WSARecv来接收消息了；而完成端口则首先调用一个WSARecv表示程序须要接收消息（这时可能尚未任何消息到来），但是只有当消息来的时候WSARecv才算完成，用户就能够处理消息了，而后再调用一个WSARecv表示等待下一个消息，如此不停循环，我想这就是完成端口的最大特色吧。
Per-handle Data 和 Per-I/O Operation Data 是两个比较重要的概念，Per-handle Data用来把客户端数据和对应的完成通知关联起来，这样每次咱们处理完成通知的时候，就能知道它是哪一个客户端的消息，而且能够根据客户端的信息做出相应的反应，我想也能够理解为Per-Client handle Data吧。Per-I/O Operation Data则不一样，它记录了每次I/O通知的信息，好比接收消息时咱们就能够从中读出消息的内容，也就是和I/O操做有关的信息都记录在里面了。当你亲手实现完成端口的时候就能够理解他们的不一样和用途了。
CreateIoCompletionPort函数中有个参数NumberOfConcurrentThreads，完成端口编程里有个概念Worker Threads。这里比较容易引发混乱，NumberOfConcurrentThreads须要设置多少，又须要建立多少个Worker Threads才算合适？NumberOfConcurrentThreads的数目和CPU数量同样最好，由于少了就无法利用多CPU的优点，而多了则会由于线程切换形成性能降低。Worker Threads的数量是否是也要同样多呢，固然不是，它的数量取决于应用程序的须要。举例来讲，咱们在Worker Threads里进行消息处理，若是这个过程当中有可能会形成线程阻塞，那若是咱们只有一个Worker Thread，咱们就不能很快响应其余客户端的请求了，而只有当这个阻塞操做完成了后才能继续处理下一个完成消息。可是若是咱们还有其余的Worker Thread，咱们就能继续处理其余客户端的请求，因此到底须要多少的Worker Thread，须要根据应用程序来定，而不是能够事先估算出来的。若是工做者线程里没有阻塞操做，对于某些状况来讲，一个工做者线程就能够知足须要了。编程

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“完成端口”模型是迄今为止最为复杂的—种I/O模型。然而。倘若—个应用程序同时须要管理为数众多的套接字，那么采用这种模型。每每能够达到最佳的系统性能,然而不幸的是,该模型只适用于如下操做系统(微软的)：Windows NT和Windows 2000操做系统。因其设计的复杂性，只有在你的应用程序须要同时管理数百乃至上千个套接字的时候、并且但愿随着系统内安装的CPU数量的增多、应用程序的性能也能够线性提高，才应考虑采用“完成端口”模型。要记住的一个基本准则是，假如要为Windows NT或windows 2000开发高性能的服务器应用,同时但愿为大量套接字I/O请求提供服务(Web服务器即是这方面的典型例子)，那么I/O完成端口模型即是最佳选择.服务器

从本质上说,完成端口模型要求咱们建立一个Win32完成端口对象,经过指定数量的线程对重叠I/O请求进行管理。以便为已经完成的重叠I/O请求提供服务。要注意的是。所谓“完成端口”,实际是Win3二、Windows NT以及windows 2000采用的一种I/O构造机制,除套接字句柄以外,实际上还可接受其余东西。然而，本节只打算讲述如何使用套接字句柄，来发挥完成端口模型的巨大威力。使用这种模型以前，首先要建立一个I/O完成端口对象,用它面向任意数量的套接字句柄。管理多个I/O请求。要作到这—点,须要调用CreateIoCompletionPort函数。该函数定义以下：网络

HANDLE CreateIoCompletionPort(数据结构

HANDLE FileHandle,并发

HANDLEExistingCompletionPort,框架

DWORD CompletionKey,异步

DWORD NumberOfConcurrentThreads函数

);性能

在咱们深刻探讨其中的各个参数以前,首先要注意意该函数实际用于两个明显有别的目的：

■用于建立—个完成端口对象。

■将一个句柄同完成端口关联到一块儿。

最开始建立—个完成端口的时候，惟一感兴趣的参数即是NumberOfConcurrentThreads 并发线程的数量)；前面三个参数都会被忽略。NumberOfConcurrentThreads 参数的特殊之处在于．它定义了在一个完成端口上，同时容许执行的线程数量。理想状况下咱们但愿每一个处理器各自负责—个线程的运行，为完成端口提供服务,避免过于频繁的线程“场景”切换。若将该参数设为0,说明系统内安装了多少个处理器,便容许同时运行多少个线程！可用下述代码建立一个I/O完成端口：

CompetionPort=CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,0,0)

该语加的做用是返问一个句柄．在为完成端口分配了—个套接字句柄后，用来对那个端

口进行标定(引用)。

1．工做者线程与完成端口

成功建立一个完成端口后，即可开始将套接字句柄与对象关联到一块儿。但在关联套接字以前、首先必须建立—个或多个“工做者线程”，以便在I/O请求投递给完成端口对象后。为完成端口提供服务。在这个时候，你们或许会以为奇怪、到底应建立多少个线程。以便为完成端口提供服务呢?这实际正是完成端口模型显得颇为“复杂”的—个方面, 由于服务I/O请求所需的数量取决于应用程序的整体设计状况。在此要记住的—个重点在于，在咱们调用CreateIoComletionPort时指定的并发线程数量,与打算建立的工做者线程数量相比,它们表明的并不是同—件事情。早些时候,咱们曾建议你们用CreateIoCompletionPort函数为每一个处理器都指定一个线程(处理器的数量有多少,便指定多少线程)以免因为频繁的线程“场景”交换活动，从而影响系统的总体性能。CreateIoCompletionPort函数的NumberofConcurrentThreads参数明确指示系统：在一个完成端口上，一次只容许n个工做者线程运行。假如在完成端门上建立的工做者线程数量超出n个．那么在同一时刻，最多只容许n个线程运行。但实际上，在—段较短的时间内,系统有可能超过这个值。但很快便会把它减小至事先在CreateIoCompletionPort函数中设定的值。那么,为什么实际建立的工做者线程数最有时要比CreateIoCompletionPort函数设定的多—些呢?这样作有必要吗?如先前所述。这主要取决于应用程序的整体设计状况，假设咱们的工做者线程调用了一个函数，好比Sleep()或者WaitForSingleobject()，但却进入了暂停(锁定或挂起)状态、那么容许另—个线程代替它的位置。换行之，咱们但愿随时都能执行尽量多的线程；固然，最大的线程数量是事先在CreateIoCompletonPort调用里设定好的。这样—来。假如事先预料到本身的线程有可能暂时处于停顿状态,那么最好可以建立比CreateIoCompletionPort的NumberofConcurrentThreads参数的值多的线程．以便到时候充分发挥系统的潜力。—旦在完成端口上拥有足够多的工做者线程来为I/O请求提供服务,即可着手将套接字句柄同完成端口关联到一块儿。这要求咱们在—个现有的完成端口上调用CreateIoCompletionPort函数，同时为前三个参数: FileHandle,ExistingCompletionPort和CompletionKey——提供套接字的信息。其中,FileHandle参数指定—个要同完成端口关联在—一块儿的套接字句柄。

ExistingCompletionPort参数指定的是一个现有的完成端口。CompletionKey(完成键)参数则指定要与某个特定套接字句柄关联在—起的“单句柄数据”,在这个参数中，应用程序可保存与—个套接字对应的任意类型的信息。之因此把它叫做“单句柄数据”,是因为它只对应着与那个套接字句柄关联在—起的数据。可将其做为指向一个数据结构的指针、来保存套接字句柄；在那个结构中，同时包含了套接字的句柄,以及与那个套接字有关的其余信息。就象本章稍后还会讲述的那样,为完成端口提供服务的线程例程可经过这个参数。取得与其套字句柄有关的信息。

根据咱们到目前为止学到的东西。首先来构建—个基本的应用程序框架。

程序清单8—9向人家阐述了如何使用完成端口模型。来开发—个回应(或“反射’)服务器应用。

在这个程序中。咱们基本上按下述步骤行事：

1) 建立一个完成端口。第四个参数保持为0，指定在完成端口上，每一个处理器一次只容许执行一个工做者线程。

2) 判断系统内到底安装了多少个处理器。

3) 建立工做者线程,根据步骤2)获得的处理器信息，在完成端口上，为已完成的I/O请求提供服务。在这个简单的例子中,咱们为每一个处理器都只建立—个工做者线程。这是出于事先已经预计到,到时候不会有任何线程进入“挂起”状态,形成因为线程数量的不足，而使处理器空闲的局面(没有足够的线程可供执行)。调用CreateThread函数时,必须同时提供—个工做者线程，由线程在建立好执行。本节稍后还会详细讨论线程的职责。

4) 准备好—个监听套接字。在端口5150上监听进入的链接请求。

5) 使用accept函数,接受进入的链接请求。

6) 建立—个数据结构，用于容纳“单句柄数据”。同时在结构中存入接受的套接字句柄。

7) 调用CreateIoCompletionPort将自accept返回的新套接字句柄向完成端口关联到一块儿,经过完成键(CompletionKey)参数，将但句柄数据结构传递给CreateIoCompletionPort。

8) 开始在已接受的链接上进行I/O操做。在此，咱们但愿经过重叠I/O机制,在新建的套接字上投递一个或多个异步WSARecv或WSASend请求。这些I/O请求完成后,一个工做者线程会为I/O请求提供服务,同时继续处理将来的I/O请求,稍后便会在步骤3)指定的工做者例程中。体验到这一点。

9) 重复步骤5)—8)。直到服务器终止。

程序清单8。9 完成端口的创建

StartWinsock()

//步骤一,建立一个完成端口

CompletionPort=CreateIoCompletionPort(INVALI_HANDLE_VALUE,NULL,0,0);

//步骤二判断有多少个处理器

GetSystemInfo(&SystemInfo);

//步骤三：根据处理器的数量建立工做线程,本例当中，工做线程的数目和处理器数目是相同的

for(i  = 0; i < SystemInfo.dwNumberOfProcessers,i++){

HANDLE ThreadHandle;

//建立工做者线程，并把完成端口做为参数传给线程

ThreadHandle=CreateThread(NULL,0，

ServerWorkerThread，CompletionPort,

    0，  &ThreadID);

//关闭线程句柄(仅仅关闭句柄，并不是关闭线程自己)

CloseHandle(ThreadHandle);

}

//步骤四:建立监听套接字

Listen=WSASocket(AF_INET,S0CK_STREAM,0,NULL,

    WSA_FLAG_OVERLAPPED);

InternetAddr.sin_famlly=AF_INET;

InternetAddr.sin_addr.s_addr =  htonl(INADDR_ANY);

InternetAddr.sln_port  =  htons(5150);

bind(Listen,(PSOCKADDR)&InternetAddr，sizeof(InternetAddr));

//准备监听套接字

listen(Listen，5);

while(TRUE){

//步骤五，接入Socket,并和完成端口关联

Accept = WSAAccept(Listen,NULL,NULL,NULL,0);

//步骤六 建立一个perhandle结构，并和端口关联

PerHandleData=(LPPER_HANDLE_DATA)GlobalAlloc(GPTR，sizeof(PER_HANDLE_DATA));

printf("Socket  number  %d  connected\n",Accept);

PerHandleData->Socket=Accept;

//步骤七,接入套接字和完成端口关联

CreateIoCompletionPort((HANDLE)Accept,

  CompletionPort,(DWORD)PerHandleData,0);

//步骤八

//开始进行I/O操做，用重叠I/O发送一些WSASend()和WSARecv()

WSARecv(．．．)