纵横捭阖C++之从异步谈起

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简介

一般来说，简单的异步（Asynchronous）调用是这样一种调用方式：发起者请求一个异步调用，通知执行者，然后处理其他工作，在某一个同步点等待执行者的完成；执行者执行调用的实际操作，完成后通知发起者。可以看出，在异步调用中有两种角色：发起者和执行者，它们都是能主动运行的对象，我们称为主动对象，同时还有一个同步点，主动对象在同步点协调同步。在本文中，我们讨论主要是通用计算机、多进程多线程的分时操作系统上的异步调用。在操作系统的角度上来看，主动对象包括了进程、线程和硬件上的IC等，至于中断，可以看作总是在某个进程或者线程的上下文借用一下CPU。而同步操作可以通过操作系统得各种同步机制：互斥锁，信号灯等等来完成。

我们可以先看看异步调用在Windows(本文中一般不加指出的话，都是特指NT/2000)读写文件中的应用。Windows中的ReadFile和WriteFile都提供了异步的接口。以ReadFile为例，

BOOL ReadFile(HANDLE hFile, LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, LPDWORD lpNumberOfBytesRead, LPOVERLAPPED lpOverlapped);

如果最后一个参数lpOverlapped不为NULL，并且文件以FILE_FLAG_OVERLAPPED标志打开，那么这个调用就是异步的：ReadFile会立刻返回，如果操作没有立刻完成（返回FALSE并且GetLastError()返回ERROR_IO_PENDING），那么调用者可以在某个时刻通过WaitForSingleObject等函数来等待中的hEvent来等待操作完成（可能已经完成）进行同步，当操作完成以后，可以调用GetOverlappedResult者获得操作的结果，比如是否成功，读取了多少字节等等。这里的发起者就是应用程序，而执行者就是操作系统本身，至于执行者是怎么执行的，我们会在后面的篇幅讨论。而两者的同步就是通过一个Windows Event来完成。

把这个异步调用的过程再抽象和扩展一些，我们可以把异步调用需要解决的问题归结为两个：一个是执行的动力，另一个是主动对象的调度。简单来说，前者是各个主动对象（线程、进程或者一些代码）是如何获得CPU，后者是各个主动对象如何协同工作，保证操作的流程是协调正确的。一般来说，进程和线程都可以由操作系统直接调度而获得CPU，而更细粒度的，比如一些代码的调度，往往就需要一个更复杂的模型（比如在操作系统内部的实现，这时候线程的粒度太粗了）。而主动对象的调度，当参与者较少的时候，可以通过基本的同步机制来完成，在更复杂的情况下，可能通过一个schedule机制来做会更实际一些。

动力和调度

如前所述，异步调用主要需要解决两个问题：执行的动力和执行的调度。最普遍的情况就是，一个主导流程的调用者进程（线程），一个或多个工作者进程（线程），通过操作系统提供的同步机制来完成异步调用。这个同步机制在扩展化的情形下，是一个或多个栅栏Barrier，对应于每个同步的执行点。所有需要在这个执行点同步的主动对象会等待相应的Barrier，直到所有对象都完成。在一些简化的情形，比如说工作者并不关心调用者的同步，那么这个Barrier可以简化成信号灯，在只有一个工作者的情况下，可以简化成一个Windows事件Event或者条件变量 Condition Variable。

现在来考虑复杂的情形。假设我们用一些线程来协作完成一项工作，各个线程的执行之间有先后顺序上的限制，而操作系统就是这项工作的调度者，负责在适当的时候调度适当的线程来获得CPU。显然，并发执行中的一个线程对于另外一个线程来说，本质上就是异步的，假如它们之间有调用关系，那也就是一个异步调用。而操作系统可以通过基本的同步机制使得合适的线程才被调度，其他未完成的线程则处于等待状态。举例说，我们有4个线程A,B,C,D来完成一项工作，其中的顺序限制是AB;CD，“”表示左边的线程完成必须先于右边的线程执行，而“;”表示两个线程可以同时进行。同时假设B的一个操作需要调用C来完成，显而易见，这时候这个操作就是一个异步调用。我们可以在每个“”的位置设定一个同步点，然后通过一个信号灯来完成同步。线程B，C等待第一个信号灯，而D会等待第二个信号灯。这个例子的动力和调度都是通过操作系统的基本机制（线程调度和同步机制）来完成。

把这个过程抽象一下，可以描述为：若干个主动对象（包括代码）协调来完成一项工作，通过一个调度器来调度，实际上，这个调度器可能只是一些调度规则。显然，进程或者线程只要被调度就能获得CPU，所以我们主要考虑代码（比如一个函数）怎么样才能获得执行。用工作者线程来调用这个函数显然是直观和通用的一个方案。事实上，在用户空间(user space)或者用户态(user mode)，这个方法是很常用的。而在内核态(kernel mode)，则可以通过中断来获得CPU，这个通过注册IDT入口和触发软中断就可以完成。硬件设备上的IC是另一个动力之源。而主动对象的调度，最基本的也是前面说的各种同步机制。另一个常用的机制就是回调函数，需要注意的是，回调函数一般会发生在跟调用者不一样的上下文，比如说同一个进程的不同线程，这个差别会带来一些限制。如果需要回调发生在调用者的进程（线程）上下文，则需要一些类似Unix下的signal或者Windows下的APC机制，这一点我们在后面会有所阐述。那么在回调函数里面一般作些什么事情呢？最常用的，跟同步机制结合在一起，当然就是释放一个互斥锁，信号灯或者Windows Event（Unix的条件变量）等等，从而使得等待同步的其他对象可以得到调度而重新执行，实际上，也可以看作是通知调度器（操作系统）某些主动对象（等待同步的）可以重新被调度了，从而调度器重新调度。但是对于另外一些调度器，在这个过程中可能不需要同步对象的参与。在一些极端一些的例子里，调度甚至不要求严格有序的。

在实际应用中，根据环境的限制，异步调用的动力和调度的实现方式可以有很大差别。我们会在后面的例子里加以说明。 操作系统中的异步：Windows的异步I/O。

Windows NT/2000是一个抢占式的分时操作系统。Windows的调度单位是线程，它的 I/O架构是完全异步的，也就是说同步的I/O实际上都基于异步I/O来完成。一个用户态的线程请求一个I/O的时候会导致一个运行状态从user mode到kernel mode的转变（操作系统把内核映射到每个进程的2G-4G的地址上，对于每个进程都是一样的）。这个过程是通过中断调用内核输出的一些System Service来完成，比如说ReadFile实际上会执行NtReadFile（ZwReadFile），需要注意的是，运行上下文仍然是当前线程。NtReadFile的实现则基于Windows内核的异步I/O框架，在I/O Manager的协助下完成。需要指出的是，I/O Manager只是由若干API构成的一个抽象概念，并没有一个真正的I/O Manager线程在运行。

Windows的I/O驱动程序是层次堆积的。每个驱动程序会提供一致的接口以供初始化、清理和功能调用。驱动程序的调用基于I/O请求包（I/O Request Packet, IRP），而不是像普通的函数调用那样使用栈来传递参数。操作系统和PnP管理器根据注册表在适当的时机初始化和清理相应的驱动程序。在一般的功能调用的时候，IRP里面会指定功能调用号码以及相应的上下文或者参数（I/O stack location）。一个驱动程序可能调用别的驱动程序，这个过程可能是同步的（线程上下文不改变)，也可能是异步的。NtReadFile的实现，大致是向最上层的驱动程序发出一个或多个IRP，然后等待相应事件的完成（同步的情况），或者直接返回（带Overlapped的情况），这些都在发起请求的线程执行。

当驱动程序处理IRP的时候，它可能立刻完成，也可能在中断里才能完成，比如说，往硬件设备发出一个请求（通常可以是写I/O port），当设备完成操作的时候会触发一个中断，然后在中断处理函数里得到操作结果。Windows有两类中断，硬件设备的中断和软中断，分成若干个不同的优先级（IRQL）。软中断主要有两种：DPC(Delayed Procedure Call)和APC(Asynchronous Procedure Call)，都处于较低的优先级。驱动程序可以为硬件中断注册ISR(Interrupt Service Routine)，一般就是修改IDT某个条目的入口。同样，操作系统也会为DPC和APC注册适当的中断处理例程（也是在IDT中）。

值得指出的是，DPC是跟处理器相关的，每个处理器会有一个DPC队列，而APC是跟线程相关的，每个线程会有它的APC队列（实际上包括一个Kernel APC队列和User APC队列，它们的调度策略有所区别），可以想象，APC并不算严格意义上的中断，因为中断可能发生在任何一个线程的上下文中，它被称为中断，主要是因为IRQL的提升（从PASSIVE到APC），APC的调度一般在线程切换等等情形下进行。当中断发生的时候，操作系统会调用中断处理例程，对于硬件设备的ISR，一般处理是关设备中断，发出一个DPC请求，然后返回。不在设备的中断处理中使用太多的CPU时间，主要考虑是否则可能丢失别的中断。由于硬件设备中断的IRQL比DPC中断的高，所以在ISR里面DPC会阻塞，直到ISR返回IRQL回到较低的水平，才会触发DPC中断，在DPC中断里执行从硬件设备读取数据以及重新请求、开中断等操作。ISR或者DPC可能在任何被中断的线程上下文（arbitrary thread context）执行，事实上线程的上下文是不可见的，可以认为是系统借用一下时间片而已。

总的来说，Windows的异步I/O架构中，主要有两种动力，一是发起请求的线程，一部分内核代码会在这个线程上下文执行，二是I