0. 前言

在C++的网络编程中，存在诸多模型，如基础 Socket 模型，同步非阻塞的 select 模型，以及本文要详细说明的 IOCP 模型等。

而随着业务的深入开发，应用场景的不断拓展，一般的 Socket 模型由于其采用阻塞模式，会有很严重的性能问题，只会在我们初学网络编程的时候进行简单的使用，如开发一对一或者一对少量客户景。

而 select 模型，则采用了同步非阻塞 I/O 机制，通过 select 函数来轮询处理客户端发送过来的 Socket，很好的解决了 Socket 模型中的性能问题。在 Linux 和 Windows 平台，该模型都有比较广泛的应用场景，比如常见的 libevent 库底层就是使用的 select 模型。

至于 IOCP 模型，则来源于微软为 Windows 开的“后门”，采用特有的并发异步非阻塞通信机制，与 Linux 中的 Epoll 并称为两大高效模型，在高并发、高压环境的服务器需求下，非常推荐使用 IOCP 来应对。比如大名鼎鼎的 Nginx 服务器，底层就是使用的 IOCP 模型实现。

在这篇文章中，您将逐步认识到 IOCP 性能强劲的秘密。

1. 什么是 IOCP？

IOCP：I/O completion ports（完成端口），一种用于处理多处理器系统中，多个异步 I/O 请求的线程模型。当进程创建 I/O 完成端口时，系统会为对应请求提供服务的线程创建关联的对象队列。利用 Windows 内核对象来对 I/O 进行调度。属于 C/S 通信模型中，性能最优秀的网络通信模型。

2. IOCP 为什么快？

在弄清楚这个问题之前，我们需要了解 IOCP 实现的基本原理，通过实现过程，我们便可以一步步探知 IOCP 快的原因：

1. 系统根据 CPU 核心的数量来创建线程；
2. 系统使线程保持等待，当存在客户端请求时，将客户端请求加入到公共消息队列中；
3. 系统创建的线程逐一排队，从消息队列中取出消息并对其进行处理；
4. 当线程完成消息，且后续没有消息需要完成时，CPU 才会将线程挂起，不占用 CPU 的使用周期。

通俗点讲，IOCP 的实现很类似于我们坐高铁进站过安检，人群是一个个的消息，而安检机则是一个个工作线程，我们排队经过身份识别后，选择合适的位置进行安检。

在 IOCP 的基本运行原理中，我们会发现，CPU 基本上都是处在工作状态的，由于我们根据 CPU 的核心数创建工作线程，因此每个线程需要执行时，都能保证有可用的 CPU 资源进行调度，而同样，也能保证在执行过程中，尽可能少的发生线程的上下文切换，这是 IOCP 快的第一层“秘诀”。

在 IOCP 调度的过程中，我们不能忽略的问题是，即使我们为每个 CPU 分配了工作线程，那谁来给工作线程派“任务”呢？

此时我们便可以把目光放到那条公共消息队列中，在 IOCP 中，所有的工作线程会轮询这条公共消息队列，并从中取出消息加以处理。在这个过程中，队列与多个工作线程非常优雅地实现了异步通信与负载均衡，在线程空闲时，IOCP 也会及时将线程挂起，防止 CPU 周期的占用。

而第二条“秘诀”，便是这条公共消息队列，因此完成端口其实本质上与我们常说的端口并没有什么关系，感觉叫完成队列更合适。

至于最后一层“秘诀”，则需要回到我们的基本网络通信机制中去。

由前文可知，IOCP 运用的是异步 I/O 通信机制，那么异步 I/O 与同步 I/O 最大的区别在哪呢？

前置知识：在操作系统中，外部设备的 I/O 速度，与 CPU 相比，是有非常大的差距的。

异步与同步的本质，在于主线程与通信线程是否能够“并行”。

同步 I/O 机制，在发起 I/O 的时候，顾名思义，用户与设备的数据需要进行同步，将数据在内核缓冲区同步后，再经过拷贝返回到用户进程，此时会导致进程阻塞，影响通信效率。

而异步 I/O ，则不需要等待操作完成，当用户进程发送请求之后，便可进行其他的操作，当内核将数据准备好之后，会将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程。此时内核发送消息通知 I/O 请求完成即可。

由上文我们可知，异步与同步，同时具备在内核缓冲区拷贝到用户进程这个过程，而在等待外部 I/O 设备拷贝的时间里，异步可以执行其他的操作，而同步只能干等着。因此在高性能网络服务器中，使用异步通信机制，是必不可少的。这也是 IOCP 快的另一层“秘诀”。

因此我们可以稍微总结一下，IOCP 快的原因：

1. 根据 CPU 内核数量创建工作线程，使用公共消息队列进行调度，保证 CPU 资源的合理利用；
2. 使用公共消息队列，保证工作线程之间的负载均衡，防止 CPU 周期被浪费；
3. 利用异步 I/O 通信机制，是主线程与网络线程”并行“。

3. 使用 IOCP 的基本流程

据上文分析之后，大家也基本上对 IOCP 的原理有了一个认识，那下一步，我们就稍微了解一下 IOCP 使用的基本流程。

与基础的 Socket 通信类似，IOCP 其实也有绑定端口，创建连接，接受数据等一系列操作。简单地，使用 IOCP 的基本流程如下：

1. 初始化完成端口和工作线程
2. 创建 Socket，并绑定到完成端口上，监听消息连接
3. 接受并监听数据
4. 关闭完成端口

一般地，我们创建CPU核心数*2的工作线程，使得在某个线程 Sleep() 或WSAWaitForMultipleEvents() 将线程挂起时（此时不占用CPU时间片），CPU的内核仍旧有线程在工作，减少线程调度的时间，保证程序的执行效率）。

而具体的 IOCP 执行，诸位可以由这张流程图，直观的看到：

4. 尾声

完成端口的理解，其实相对来说没那么复杂，主要是需要对其性能强劲的各个组成进行详细的了解和认识，只有逐步拆分逐步深入，才能更精确的了解到其性能强劲的原因。而在使用的过程中，只要遵循完成端口的基本流程，并将其加入项目逐步拓展即可。在众多优秀的网络库中，诸如 AISO 网络库，其底层实现其实也用到了 IOCP 完成端口，利用封装好的网络库，有时候也比使用底层库要来得更轻松易用。因此重点在如何理解其原理，从业务入手，简化开发流程与压力，这才是上上策。

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