I/O完成端口的實現(xiàn)-Windows編程技巧

第 3 頁 完成端口內(nèi)部機制

完成端口內(nèi)部機制
當(dāng)傳遞NULL值給ExistingCompletionPort參數(shù)來調(diào)用CreateIoCompletionPort來創(chuàng)建完成端口時，將調(diào)用同名的NtCreateIoCompletion系統(tǒng)服務(wù)。實質(zhì)上，IoCompletion對象是建立在一個稱為隊列的內(nèi)核同步對象基礎(chǔ)上。系統(tǒng)創(chuàng)建一個完成端口的同時，在完成端口所分配到的內(nèi)存中初始化一個隊列對象（指向完成端口的指針同時指向了此隊列對象，因為隊列對象位于完成端口對象內(nèi)存的開始處）。當(dāng)一個線程調(diào)用CreateIoCompletionPort來創(chuàng)建完成端口時，第四個參數(shù)NumberOfConcurrentThreads即為隊列的并發(fā)值。NtCreateIoCompletion函數(shù)將調(diào)用KeInitializeQueue系統(tǒng)服務(wù)來初始化該端口的消息隊列。

當(dāng)應(yīng)用程序再次調(diào)用CreateIoCompletionPort時，將調(diào)用NtSetInformationFile服務(wù)來使參數(shù)一（文件句柄）與參數(shù)二（一個已有的完成端口）關(guān)聯(lián)起來。完成通知包FileCompletionInformation包含的信息：CreateIoCompletionPort的參數(shù)二ExistingCompletionPort（已有的完成端口句柄）和參數(shù)三CompletionKey（完成鍵）。NtSetInformationFile通過解引用操作從該文件句柄獲得對應(yīng)的文件對象，并且申請一個記錄完成上下文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在NTDDK.H定義如下：

typedef struct _IO_COMPLETION_CONTEXT {
  PVOID Port;
  ULONG Key;
} IO_COMPLETION_CONTEXT, *PIO_COMPLETION_CONTEXT;

最后，將調(diào)用NtSetInformationFile系統(tǒng)服務(wù)設(shè)置文件對象中CompletionContext域的值。當(dāng)一個異步I/O在一個文件對象上完成時，系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行具有I/O管理功能的IopCompleteRequest系統(tǒng)服務(wù)，檢查文件對象中的CompletionContext域是否為非NULL。如果是，則I/O管理器生成一個完成通知包，通過調(diào)用KeInsertQueue系統(tǒng)服務(wù)將完成通知包投遞到完成端口隊列（注意，完成端口對象和隊列對象是同義的）。

當(dāng)一個服務(wù)器線程調(diào)用GetQueuedCompletionStatus時，它將調(diào)用NtRemoveIoCompletion系統(tǒng)服務(wù)。在驗證參數(shù)后，并且將完成端口句柄轉(zhuǎn)換成一個指向該端口的指針后，NtRemoveIoCompletion調(diào)用KeRemoveQueue。

正如你所看到的，KeRemoveQueue和KeInsertQueue是完成端口模型的兩個引擎級函數(shù)，它們決定阻塞在完成端口上等待I/O完成通知包的線程什么時候被喚醒。在系統(tǒng)內(nèi)部，隊列對象維護了完成端口上當(dāng)前活動線程的計數(shù)值，以及最大的并發(fā)活動線程的數(shù)量。當(dāng)一個線程調(diào)用KeRemoveQueue并且當(dāng)前活動線程數(shù)大于或等于并發(fā)數(shù)上限時，那么該線程將被投放到一個阻塞線程隊列（按LIFO順序）中，等待系統(tǒng)調(diào)度來獲取并處理完成通知包。此線程列表掛在隊列對象的外面，線程的控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有一個指針引用了一個與之相關(guān)的隊列對象；如果這個指針為NULL，則該線程沒有與隊列關(guān)聯(lián)。

Windows依賴與線程控制塊中的隊列指針來跟蹤和記錄那些“由于被阻塞在除了完成端口之外的其他事情上而變成不活動”的線程。那些有可能會導(dǎo)致一個線程阻塞的調(diào)度例程（例如KeWaitForSingleObject，KeDelayExecutionThread等等）要檢查該線程的隊列指針。如果該指針不為NULL，則這些函數(shù)調(diào)用KiActivateWaiterQueue—一個與隊列相關(guān)的函數(shù)，它會遞減與該隊列相關(guān)聯(lián)的活動線程的計數(shù)值。如果計數(shù)值遞減到小于設(shè)置的并發(fā)值，并且此時至少有一個完成通知包在該隊列中，那么處于該隊列的線程列表最前面的那個線程被喚醒，并且把最老的（the oldest）完成通知包交給它處理。相反，無論何時，與一個隊列相關(guān)聯(lián)的線程在阻塞之后被喚醒時，調(diào)度程序執(zhí)行KiUnwaitThread函數(shù)來增加該隊列上活動線程的計數(shù)值。

最后，PostQueuedCompletionStatus這個Windows API將調(diào)用NtSetIoCompletion服務(wù)。該函數(shù)只是簡單的調(diào)用KeInsertQueue將自定義的完成通知包插入到完成端口的隊列中。