Windows平台让标准输入(stdin)的阻塞立即返回

背景介绍

• 在开发命令行工具或控制台应用程序时，经常需要处理用户输入。常规做法是使用标准输入（stdin）来获取用户输入的数据。常见的有C语言的getchar()、C++的std::getline()以及Windows API的ReadFile()等函数这些操作通常是阻塞的：它们会挂起调用线程，直到有数据可读或者发生某种错误。
• 然而，在某些应用场景中，可能需要在没有用户输入的情况下优雅地退出应用程序。例如，当系统需要进行紧急停止或转入其他任务时，如果输入线程因等待getchar()或std::getline()而阻塞，则无法立即响应。这种情况下，需要一种机制来使得阻塞在标准输入上的读取操作能够立即返回，从而允许程序继续执行或安全退出。
• 接下来将介绍一种实现方案，旨在解决如何让标准输入的阻塞读取在必要时能够立即返回，以提高程序的响应能力和用户体验。

代码示例

版本1-基本命令处理

std::cout << "Enter commands ('read' or 'write'). Type 'exit' to quit:" << std::endl;
std::string command;
while (std::getline(std::cin, command)) {if (command == "exit") {break;  // 用户输入exit时退出循环}else if (command == "read") {std::cout << "Reading data..." << std::endl;}else if (command == "write") {std::cout << "Writing data..." << std::endl;}else {std::cout << "Unknown command. Please try 'read' or 'write'." << std::endl;}
}

版本2-多线程命令处理，不阻塞主函数

std::atomic_bool keep_running = true;  // 控制线程运行的原子标志
// 创建一个处理输入的线程
std::thread input_thread([&]() {std::cout << "Enter commands ('read' or 'write'). Type 'exit' to quit:" << std::endl;std::string command;// 循环读取命令，直到收到停止信号while (keep_running && std::getline(std::cin, command)) {if (command == "exit") {keep_running = false;  // 设置标志以终止循环break;}else if (command == "read") {std::cout << "Reading data..." << std::endl;}else if (command == "write") {std::cout << "Writing data..." << std::endl;}else {std::cout << "Unknown command. Please try 'read' or 'write'." << std::endl;}}});std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10)); // 模拟等待一段时间或等待其他事件触发
keep_running = false;  // 通知线程停止
input_thread.join();  // 等待线程完成

• 相较于版本1，版本2通过增加多线程处理避免了主函数的阻塞，并使用了原子标志位以便用户可以控制何时退出线程。但仍存在不足，由于输入线程依赖于 std::getline 的阻塞性质，它必须等到接收到用户输入后才能检查退出条件，因此程序的完全退出还需要依赖于用户输入，用户不输入任何内容，即使修改了标志位也无法让线程退出。

版本3-即使没有用户输入，也能立即退出

// 使用原子标志来控制线程是否应该继续运行。
std::atomic_bool keep_running = true;
// 获取标准输入的句柄。
HANDLE stdin_handle = GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE);// 创建一个处理输入的线程。
std::thread input_thread([&]() {std::cout << "Enter commands ('read' or 'write'). Type 'exit' to quit:" << std::endl;// 循环读取命令，直到收到停止信号。while (keep_running) {char buffer[256] = { 0 };DWORD bytes_read = 0;// 阻塞地从标准输入读取数据。if (ReadFile(stdin_handle, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytes_read, nullptr)) {buffer[bytes_read] = '\0'; // 确保字符串是以null终止的。std::string command(buffer);// 解析命令并执行相应操作。if (command == "exit") {keep_running = false; // 设置标志以终止循环。break;}else if (command == "read") {std::cout << "Reading data..." << std::endl;}else if (command == "write") {std::cout << "Writing data..." << std::endl;}else {std::cout << "Unknown command. Please try 'read' or 'write'." << std::endl;}}else {// 如果ReadFile失败，则输出失败消息。// 此处假设失败是因为主动取消ReadFile。std::cout << "ReadFile failure, because we want it exit." << std::endl;}}});// 主线程等待一段时间或等待其他事件触发。
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10));
// 通知输入线程停止。
keep_running = false;
// 取消所有挂起的I/O操作，以确保ReadFile可以退出。
CancelIoEx(stdin_handle, nullptr);
// 等待输入线程完成。
input_thread.join();

• 在版本3中，引入了 CancelIoEx 函数，这个函数用于取消指定文件句柄上所有未完成的输入/输出（I/O）操作。调用 CancelIoEx 后，所有挂起的 I/O 操作会被取消，任何阻塞的 ReadFile 调用都将返回失败。这种失败的检测使我们能够在不等待用户输入的情况下让 ReadFile 从阻塞状态返回。随后，程序会检查循环条件（例如 keep_running 标志），从而实现立即终止。
• 为什么不使用 OVERLAPPED 结构和 WaitForMultipleObjects：
  • 同步属性的标准输入：标准输入（stdin）的句柄在大多数情况下是同步的，并且不支持真正的异步操作。尽管可以采用 OVERLAPPED 结构来异步读取，实际上 ReadFile 仍然表现为阻塞调用，这意味着无法通过事件来判断其可读状态。
  • 简单性与需求满足：当前使用同步阻塞调用已足够满足我们的需求，即能够实现快速退出。这种同步调用方法在逻辑上更加简单直接。