Windows如何执行I/O操作

以读取磁盘文件类FileStream为例 ，展示下同步和异步I/O的执行流程

同步IO

【CLR】C#异步I/O_C#


  2. 调用FileStream类的Read方法后，你的线程将从托管代码转为win32用户模式代码。并调用win32的ReadFile函数，此函数将会非配一个叫做I/O请求包（I/O Request Packet,IRP）的数据结构，这个结构里包括：文件句柄，文件中的偏移量，Byte[]数组地址等信息。
  3. 然后ReadFile会将你的线程从用户模式变为内核模式，向内核传递IRP数据，从而调用windows内核。
  4. 根据IRP中的句柄，win内核就知道将IRP传给哪个硬件，调用哪个硬件驱动。驱动程序内部维护了一个IRP队列。（在IRP请求完成期间，发出IRP请求的线程将阻塞被切换到睡眠状态，它占用的内存也没有被释放）。
  5. IRP完成之后 ，操作系统会唤醒你的线程 ，并把它调度给一个cpu。
  6. 然后从内核模式切换到用户模式。
  7. 再返回至托管代码。

异步IO

【CLR】C#异步I/O_async_02

与同步IO的区别是，在IRP执行期间，你的线程会立即返回（4、5、6），并进入到线程池。等IRP执行结束之后 ，会将这个IRP放入到线程池队列中（a），线程池中的线程会提取IRP并继续完成任务（b)。

同步IO因为会阻塞，所以设计服务器程序时需要多加注意，又可能会耗尽线程数。当大量的线程恢复时，又会因为数量超过了CPU的内核数，而导致系统频发进行线程上下文切换。

使用异步IO的优点：


  • 减少程序的线程数，提供GC效率。因为每次GC之前都需要挂起所有的线程，并且遍历所有线程的栈并找到对应的根进行清理。线程少了，自然速度就快了。
  • 减少程序线程数，增加vs的调试性能。因为当遇到断点的时候，windows也会挂起所有的线程，断点执行之后，又会恢复所有的线程。
  • UI不会阻塞，可以及时响应。

异步函数

主要是async和await，怎么用，教程很多，就不细说了。

有如下几点限制需要注意：


  • Main方法不能加async（因为直接返回就相当于整个程序就结束了），构造函数、属性、事件不能加async
  • asyn方法上不能使用out和ref参数
  • 不能在​​catch​​​、​​finally​​​、​​unsafe​​代码块中使用await操作符。
  • 不能在await之前获取锁，并在await之后释放，即不能lock await。因为前后是两个线程。

TIPS：

  1. 如果想等所有的Task都执行完成之后，再进行处理。可以使用以下类似代码：
//...
string[] responses=await Task.WhenAll(tasks);
//...
  1. 如果想完成一个Task就处理一个，可以用以下类似代码：
while(tasks.Count>0)
{
  var req=await Task.WhenAny(tasks);
  tasks.Remove(req);
  //process req
}



死锁

对于GUI程序来说，因为await之后的代码会切到UI线程执行，所以有可能会出现死锁情况，如下：

class WpfForm:Windos
{
  protected override void OnActivated(EventArgs e)
  {
    //同步的方式获取结果，UI线程将阻塞在这里
    string http=GetHttp().Result;
    base.OnActivated(e);
  }
  async Task<string> GetHttp()
  {
    var msg=await HttpClient.GetAsync("http://xxx.com");
    //永远不会执行到这里，因为UI线程已经被阻塞了，这里无法切换到UI线程。
    return await msg.Content.ReadStringAsync();
  }
}

解决方式是所有的await的对象上 都使用​​ConfigureAwait(false)​​，如下：

class WpfForm:Windos
{
  protected override void OnActivated(EventArgs e)
  {
    //同步的方式获取结果，UI线程将阻塞在这里
    string http=GetHttp().Result;
    base.OnActivated(e);
  }
  async Task<string> GetHttp()
  {
    var msg=await HttpClient.GetAsync("http://xxx.com").ConfigureAwait(false);
    //这里的代码将由线程池中的线程完成Task后直接执行（与执行Task的是同一个线程），而不是UI线程
    return await msg.Content.ReadStringAsync().ConfigureAwait(false);
  }
}

当ConfigureAwait(false)的时候​​await​​操作符将不再查询原线程的​​SynchronizationContext​​对象，新 线程直接继续执行。

另外一种 解决方式是 将GetHttp()的代码，用Task.Run包起来，这样就想当于起了新线程操作 ，GetHttp也不再是异步函数。

怎么取消正在执行的I/O异步操作

windows一般没有提供取消正在执行的异步操作，因为如果向服务器请求了1000个字节，然后又不想要了，windows其实没办法告诉服务器你已经后悔不想要了，只能让你默默接受，接受完了让你自己手动丢弃。但是我们可以通过程序的方式，进行控制，当不想要时，让程序直接返回。

参考以下代码来实现​​Task<TResult>​​的扩展方法:

private struct Void {}//因为TaskCompletionSource类都是泛型的，不得已定义个这
private static async Task<TResult> WithCancellation<TResult>(this Task<TResult> originalTask, CancellationToken ct)
{
  var cancelTask=new TaskCompletionSource<Void>();
  using(ct.Register(t=>((TaskCompletionSource<Void>)t).TrySetResult(new Void(),cancelTask))
  {
    var any=await Task.WhenAny(originalTask,cancelTask);
    if(any==cancelTask.Task)
      ct.ThrowIfCancellationRequested();
  }
  //等待原始任务（以同步方式）
  return await originalTask;
}

使用：

var ct=new CancellationTokenSource(5000).Token;
try
{
  await Task.Delay(10000).WithCancellation(ct);
}
catch(OperationCanceledException)
{
  //task canceled
}