非同步I/O

非同步I/O是電腦作業系統對輸入輸出的一種處理方式：發起I/O請求的執行緒不等I/O操作完成，就繼續執行隨後的代碼，I/O結果用其他方式通知發起I/O請求的程式。與非同步I/O相對的是更為常見的「同步（阻塞）I/O」：發起I/O請求的執行緒不從正在呼叫的I/O操作函式返回（即被阻塞），直至I/O操作完成。

類Unix作業系統與POSIX

POSIX提供下述API函式：

	阻塞	非阻塞
同步	write, read	write, read + poll / select
非同步	-	aio_write, aio_read

• aio^[1]
• io_uring (Linux 5.1以後支援)^[2]

Windows作業系統的非同步I/O

Windows提供多種非同步I/O（也稱重疊I/O）方式：^[3]

裝置核心對象

I/O裝置在作業系統核心中表示為核心對象，因此具有可等待（waitable）核心對象狀態。例如：檔案控制代碼，執行緒控制代碼等等。對於檔案核心對象，當一個非同步I/O完成後，該檔案控制代碼被置為觸發態。使用這種方式取得非同步I/O完成的通知，缺點是如果在一個檔案核心對象上同時有多個非同步I/O操作，只通過檔案控制代碼的觸發無法辨識哪個非同步I/O操作完成了。

例子：

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO
BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作
//SetFileCompletionNotificationModes(hFile, FILE_SKIP_SET_EVENT_ON_HANDLE);//如此设置则文件内核对象就不会被触发
if (rt == FALSE && GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)//检查异步IO是否完成 
{
	WaitForSingleObject(hFile, INFINITE);//等待设备内核对象（文件）被触发。
}
CloseHandle(hFile);

GetOverlappedResult函式

也可以使用Windows API函式GetOverlappedResult直接阻塞/非阻塞等待指定的非同步I/O操作是否完成。^[4]該函式檢查OVERLAPPED結構中的Internal成員的值是否為STATUS_PENDING來判斷非同步I/O是否完成。

非同步I/O操作的完成通知用事件核心對象

在非同步I/O操作的read/write函式呼叫中給出的OVERLAPPED類型的參數中，可以指定一個核心事件對象。這個非同步I/O操作完成時，這個核心事件對象會被觸發。從而，等待在這個事件對象上的程式就會知道這個非同步I/O操作完成。

例子：

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO
HANDLE hEvent = CreateEvent(0, FALSE, FALSE, NULL);  
ol.hEvent = hEvent;//传递一个事件对象。  

BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作 

if (rt == FALSE && GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)//检查异步IO是否完成 
{
	WaitForSingleObject(ol.hEvent, INFINITE);//等待设备内核对象（文件）被触发。
}
CloseHandle(hEvent); 
CloseHandle(hFile);

可喚醒I/O

非同步可喚醒I/O操作通過ReadFileEx/WriteFileEx函式指出完成過程回呼函式。回呼函式在該執行緒的可喚醒等待（alertable wait）中被執行。

完成埠

使用CreateIoCompletionPort函式建立一個完成埠。然後把檔案控制代碼繫結到這個完成埠（通過CreateIoCompletionPort函式)。這個檔案控制代碼上的非同步I/O操作完成時，會自動向這個完成完成埠發通知。執行緒通過GetQueuedCompletionStatus函式等待這個完成埠上的完成通知，然後從GetQueuedCompletionStatus的呼叫返回處恢復執行緒執行。

執行緒池I/O完成對象

使用CreateThreadpoolIo函式建立一個I/O完成對象，繫結了要執行非同步I/O操作的檔案控制代碼與待執行的回呼函式。通過StartThreadpoolIo函式開始I/O完成對象的工作。每當繫結的檔案控制代碼上的非同步I/O操作完成，自動呼叫執行緒池上的執行緒執行指定的回呼函式。

例子：

VOID CALLBACK OverlappedCompletionRoutine(PTP_CALLBACK_INSTANCE pInstance,  
                                          PVOID pvContext,  
                                          PVOID pOverlapped,  
                                          ULONG IoResult,  
                                          ULONG_PTR NumberOfBytesTransferred,  
                                          PTP_IO pIo)  
{  
    printf("OverlappedCompletionRoutine, transferred: %d bytes\n", NumberOfBytesTransferred);  
}  

HANDLE hFile = CreateFileW(L"d:\\a.txt", GENERIC_WRITE, 0, 0, CREATE_ALWAYS, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); //设置异步IO的标志FILE_FLAG_OVERLAPPED

PTP_IO pio = CreateThreadpoolIo(hFile, OverlappedCompletionRoutine, NULL, NULL);//将设备对象和线程池的IO完成端口关联起来。  
StartThreadpoolIo(pio);
char buffer[10] = {"abcd"};
OVERLAPPED ol = { 0 };//用0初始化OVERLAPPED的结构
ol.Offset = 2;/从文件的第三个字节开始IO   

BOOL rt = WriteFile(hFile, buffer, 5, NULL, &ol);//发起一个异步写操作 
if(rt==FALSE && GetLastError()==ERROR_IO_PENDING))
{  
   ::Sleep(4000); 
   //do somethings... 
}
else
{
   CancelThreadpoolIo(pio); 
}
WaitForThreadpoolIoCallbacks(pio,false);
CloseHandle(hFile); 
CloseThreadpoolIo(pio);//关闭线程池io完成对象

參見

• IOCP

參考文獻

1. aio - POSIX asynchronous I/O overview. Linux manual page. [2020-08-25]. （原始內容存檔於2020-04-12）.
2. Ringing in a new asynchronous I/O API. LWN.net. [2020-08-25]. （原始內容存檔於2020-07-09）.
3. Description from .NET Framework Developer's Guide. [2017-12-16]. （原始內容存檔於2018-06-14）.
4. MSDN:GetOverlappedResult function. [2017-12-16]. （原始內容存檔於2017-12-16）.

外部連結

• The C10K Problem; a survey of asynchronous I/O methods with emphasis on scaling – by Dan Kegel
• Article "Boost application performance using asynchronous I/O （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）" by M. Tim Jones
• Article "Lazy Asynchronous I/O For Event-Driven Servers （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）" by Willy Zwaenepoel, Khaled Elmeleegy, Anupam Chanda and Alan L. Cox
• Perform I/O Operations in Parallel （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• Description from POSIX standard （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• Inside I/O Completion Ports by Mark Russinovich
• Asynchronous I/O and The Asynchronous Disk I/O Explorer （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• I/O::AI/O is a Perl module offering an asynchronous interface for most I/O operations （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• ACE Proactor