Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

• Название: Системное программирование в среде Windows
• Автор: Джонсон Харт
• Издательство: Издательский дом "Вильямс"
• Жанр: Программирование
• Год: 2005
• ISBN: 5-8459-0879-5

Эта книга посвящена вопросам разработки приложений с использованием интерфейса прикладного программирования операционных систем компании Microsoft (Windows 9х, Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003). Основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, взаимодействие между процессами, сетевое программирование и синхронизацию. Рассматривается методика переноса приложений, написанных в среде Win32, в среду Win64. Подробно описываются все аспекты системы безопасности Windows и ее практического применения. Изобилие реальных примеров, доступных также и на Web-сайте книги, существенно упрощает усвоение материала.

Книга ориентирована на разработчиков и программистов, как высокой квалификации, так и начинающих, а также будет полезна для студентов соответствующих специальностей.

---

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. 

Перекрывающиеся сокеты

Одним из наиболее важных нововведений в Windows Sockets 2.0 (глава 12) является стандартизация перекрывающегося ввода/вывода. В частности, сокеты уже не создаются автоматически как дескрипторы файлов с перекрытием. Функция socket создает неперекрывающийся дескриптор. Чтобы создать перекрывающийся сокет, следует вызвать функцию WSASocket, явно запросив создание перекрывающегося совета путем указания значения WSA_FLAG_OVERLAPPED для параметра dwFlags функции WSASocket. 

SOCKET WSAAPI WSASocket(int iAddressFamily, int iSocketType, int iProtocol, LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo, GROUP g, DWORD dwFlags); 

Для создания сокета используйте вместо функции socket функцию WSASocket. Любой сокет, возвращенный функцией accept, будет иметь те же свойства, что и аргумент.

Следствия применения перекрывающегося ввода/вывода

Перекрывающийся ввод/вывод выполняется в асинхронном режиме. Это имеет несколько следствий.

• Операции перекрывающегося ввода/вывода не блокируются. Функции ReadFile, WriteFile, TransactNamedPipe и ConnectNamedPipe осуществляют возврат, не дожидаясь завершения операции ввода/вывода.

• Возвращаемое функцией значение не может быть использовано в качестве критерия успешности или неудачи ее выполнения, поскольку операция ввода/вывода к этому моменту еще не успевает завершиться. Для индикации состояния выполнения ввода/вывода требуется привлечение другого механизма.

• Возвращенное значение количества переданных байтов также приносит мало пользы, поскольку передача данных могла не завершиться до конца. Для получения такого рода информации Windows должна предоставить другой механизм.

• Программа может многократно предпринимать попытки чтения или записи с использованием одного и того же перекрывающегося дескриптора файла. Поэтому незначащим оказывается и указатель файла, соответствующий такому дескриптору. Следовательно, должен быть предусмотрен дополнительный метод, обеспечивающий указание позиции в файле для каждой операции чтения или записи. В случае именованных каналов, в силу присущего им последовательного характера обработки данных, это не является проблемой.

• Для программы должна быть обеспечена возможность ожидания (синхронизации) завершения ввода/вывода. При наличии нескольких незавершенных операций ввода/вывода, связанных с одним и тем же дескриптором, программа должна быть в состоянии определить, какие из операций уже завершились. Операции ввода/вывода вовсе не обязательно завершаются в том же порядке, в каком они начинали выполняться.

Для преодоления двух последних из перечисленных выше трудностей используются структуры OVERLAPPED.

Структуры OVERLAPPED

С помощью структуры OVERLAPPED (указываемой, например, параметром lpOverlapped функции ReadFile) можно указывать следующую информацию:

• Позицию в файле (64 бита), с которой должно начинаться выполнение операции чтения или записи в соответствии с обсуждением, которое содержится в главе 3.

• Событие (сбрасываемое вручную), которое будет переходить в сигнальное состояние по завершении соответствующей операции.

Ниже приводится определение структуры OVERLAPPED. 

typedef struct_OVERLAPPED {

 DWORD Internal;

 DWORD InternalHigh;

 DWORD Offset;

 DWORD OffsetHigh;

 HANDLE hEvent;

} OVERLAPPED 

Для задания позиции в файле (указателя) должны использоваться оба поля Offset и OffsetHigh, хотя старшая часть указателя (OffsetHigh) во многих случаях равна 0. Не следует использовать поля Internal и InternalHigh, зарезервированные для системных нужд.

Параметр hEvent — дескриптор события (созданного посредством функции CreateEvent). Это событие может быть как именованным, так и неименованным, но оно должно быть обязательно сбрасываемым вручную (см. главу 8), если используется для перекрывающегося ввода/вывода; причины этого будут вскоре объяснены. По завершении операции ввода/вывода событие переходит в сигнальное состояние. 

В другом возможном варианте его использования дескриптор hEvent имеет значение NULL; в этом случае программа может ожидать перехода в сигнальное состояние дескриптора файла, который также может выступать в роли объекта синхронизации (см. приведенные далее предостережения). Система использует для отслеживания завершения операций сигнальные состояния дескриптора файла, если дескриптор hEvent равен NULL, то есть объектом синхронизации в этом случае является дескриптор файла.

Примечание

В целях удобства термин "дескриптор файла" ("file handle"), используемый по отношению к дескрипторам, указываемым при вызове функций ReadFile, WriteFile и так далее, будет применяться нами даже в тех случаях, когда речь идет о дескрипторах именованного канала или устройства, а не файла.

При выполнении вызова функций ввода/вывода это событие сразу же сбрасывается системой (устанавливается в несигнальное состояние). Когда операция ввода/вывода завершается, событие устанавливается в сигнальное состояние и остается в нем до тех пор, пока не будет использовано другой операцией ввода/вывода. Событие должно быть сбрасываемым вручную, если его перехода в сигнальное состояние могут ожидать несколько потоков (хотя в наших примерах используется всего один поток), и на момент завершения операции они могут не находиться в состоянии ожидания.