【C++】ReadFile概述，及实践使用时ReadFile的速率影响研究

ReadFile 函数概述

ReadFile 是 Windows API 函数，用于从文件或设备（如串口、硬盘等）中读取数据。它是同步和异步 I/O 操作的基础函数。

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函数原型

BOOL ReadFile(_In_ HANDLE hFile,                          // 文件或设备句柄_Out_writes_bytes_to_opt_(nNumberOfBytesToRead, *lpNumberOfBytesRead) LPVOID lpBuffer, // 缓冲区_In_ DWORD nNumberOfBytesToRead,            // 预期读取的字节数_Out_opt_ LPDWORD lpNumberOfBytesRead,      // 实际读取的字节数，会根据_In_ DWORD返回给他_Inout_opt_ LPOVERLAPPED lpOverlapped       // 异步操作参数
);

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参数详解

1. HANDLE hFile

• 含义：表示需要读取数据的目标。
  • 可以是文件句柄（通过 CreateFile 打开）或设备句柄（如串口 COM1）。
  • 例如，读取串口数据时，通过 CreateFile 获得串口句柄。

2. LPVOID lpBuffer

• 含义：指向缓冲区的指针，ReadFile 将读取的数据存储到该缓冲区中。
• 大小要求：缓冲区大小应至少等于 nNumberOfBytesToRead，以避免越界。
• 类型：LPVOID，可转换为任意指针类型（如 char*）。

3. DWORD nNumberOfBytesToRead

• 含义：预期读取的字节数，ReadFile 尝试从文件或设备读取该数量的数据。
• 注意：
  • 如果设备中数据不足，ReadFile 可能返回成功，但实际读取的字节数会少于此值（存储在 lpNumberOfBytesRead 中）。

4. LPDWORD lpNumberOfBytesRead

• 含义：指向 DWORD 类型变量的指针，用于接收实际读取的字节数。
• 可选性：
  • 如果为 nullptr，表示调用方不关心读取了多少字节（不推荐）。
• 返回值含义：
  • 函数执行成功后，该变量存储实际读取的字节数。

5. LPOVERLAPPED lpOverlapped

• 含义：指向 OVERLAPPED 结构的指针，用于异步操作。
• 同步与异步：
  • nullptr：表示同步操作，ReadFile 会阻塞，直到读取完成或超时。
  • 非 nullptr：表示异步操作，ReadFile 会立即返回，读取操作会在后台完成。

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返回值

• BOOL 类型：
  • TRUE：读取成功。
  • FALSE：读取失败，调用 GetLastError 获取错误代码。
• 常见错误：
  • ERROR_HANDLE_EOF：已到达文件末尾（EOF）。
  • ERROR_IO_PENDING：对于异步操作，表示读取请求已提交但尚未完成。

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函数用途

ReadFile 广泛用于以下场景：

1. 文件读取：从文件系统中读取内容。
2. 串口通信：读取串口（COM）数据，常用于嵌入式设备通信。
3. 网络通信（通过设备接口）：读取基于设备接口的网络数据。
4. 传感器数据读取：从硬件传感器中读取数据。

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示例 1：从文件读取数据

从文件中读取内容并打印到控制台：

#include <windows.h>
#include <iostream>int main() {// 打开文件HANDLE hFile = CreateFile("example.txt",          // 文件路径GENERIC_READ,           // 读取权限0,                      // 共享模式NULL,                   // 安全属性OPEN_EXISTING,          // 打开已存在的文件FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,  // 属性NULL                    // 模板文件句柄);if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {std::cerr << "无法打开文件，错误代码：" << GetLastError() << std::endl;return 1;}// 读取数据char buffer[128] = {0};  // 数据缓冲区DWORD bytesRead = 0;     // 实际读取的字节数if (ReadFile(hFile, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytesRead, NULL)) {std::cout << "成功读取 " << bytesRead << " 字节：" << std::endl;std::cout << buffer << std::endl;} else {std::cerr << "读取失败，错误代码：" << GetLastError() << std::endl;}// 关闭文件CloseHandle(hFile);return 0;
}

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示例 2：串口数据读取

从串口（如 COM2）读取数据：

#include <windows.h>
#include <iostream>int main() {// 打开串口HANDLE hSerial = CreateFile("COM2",                // 串口名称GENERIC_READ,          // 读取权限0,                     // 共享模式NULL,                  // 安全属性OPEN_EXISTING,         // 打开已存在的设备0,                     // 属性NULL                   // 模板文件句柄);if (hSerial == INVALID_HANDLE_VALUE) {std::cerr << "无法打开串口，错误代码：" << GetLastError() << std::endl;return 1;}// 设置串口参数（波特率、数据位等）DCB dcb = {0};//Device Control Blockdcb.DCBlength = sizeof(DCB);GetCommState(hSerial, &dcb);dcb.BaudRate = CBR_9600;dcb.ByteSize = 8;dcb.Parity = NOPARITY;dcb.StopBits = ONESTOPBIT;SetCommState(hSerial, &dcb);// 读取数据char buffer[128] = {0};DWORD bytesRead = 0;if (ReadFile(hSerial, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytesRead, NULL)) {std::cout << "成功读取 " << bytesRead << " 字节：" << std::endl;for (DWORD i = 0; i < bytesRead; ++i) {std::cout << "0x" << std::hex << static_cast<int>(buffer[i]) << " ";}std::cout << std::endl;} else {std::cerr << "读取失败，错误代码：" << GetLastError() << std::endl;}// 关闭串口CloseHandle(hSerial);return 0;
}

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异步模式的应用

如果需要非阻塞读取，可以使用 OVERLAPPED 结构：

OVERLAPPED overlapped = {0};
overlapped.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);BOOL result = ReadFile(hFile, buffer, sizeof(buffer), &bytesRead, &overlapped);
if (!result && GetLastError() == ERROR_IO_PENDING) {// 等待异步操作完成WaitForSingleObject(overlapped.hEvent, INFINITE);GetOverlappedResult(hFile, &overlapped, &bytesRead, FALSE);
}

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总结

ReadFile 的作用

• 从文件或设备读取数据，支持同步和异步模式。

典型应用

• 文件操作：读取文本或二进制文件。
• 串口通信：读取嵌入式设备数据。
• 网络设备：读取基于接口的网络数据。

优点

• 支持异步 I/O，提高程序性能。
• 适用于广泛的文件和设备操作场景。

注意事项

• 缓冲区大小要足够大以避免数据截断。
• 在串口和异步模式中，需额外配置超时和事件处理机制。

补充 1 关于DBC

DCB dcb = {0}; 是一个用于初始化并配置串口通信参数的结构体。在 Windows API 中，DCB（Device Control Block）结构用于描述串口通信的控制设置，例如波特率、数据位、停止位、校验位等。

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DCB 结构的定义

typedef struct _DCB {DWORD DCBlength;       // 结构体的大小（字节）DWORD BaudRate;        // 波特率（如 9600、115200）DWORD fBinary: 1;      // 是否使用二进制模式DWORD fParity: 1;      // 是否启用校验位DWORD fOutxCtsFlow: 1; // 是否启用 CTS 流控制DWORD fOutxDsrFlow: 1; // 是否启用 DSR 流控制DWORD fDtrControl: 2;  // DTR 控制流设置DWORD fDsrSensitivity: 1; // DSR 灵敏度DWORD fTXContinueOnXoff: 1; // 接收 XOFF 后是否继续传输DWORD fOutX: 1;        // 是否启用 XON/XOFF 流控制（输出）DWORD fInX: 1;         // 是否启用 XON/XOFF 流控制（输入）DWORD fErrorChar: 1;   // 是否替换错误字符DWORD fNull: 1;        // 是否丢弃 NULL 字节DWORD fRtsControl: 2;  // RTS 控制流设置DWORD fAbortOnError: 1;// 是否在错误时中止读/写操作DWORD fDummy2: 17;     // 保留位WORD wReserved;        // 保留字段WORD XonLim;           // XON 限制WORD XoffLim;          // XOFF 限制BYTE ByteSize;         // 每个字节的数据位数（4-8 位）BYTE Parity;           // 校验类型（无、奇、偶、标记、空）BYTE StopBits;         // 停止位（1、1.5 或 2 位）char XonChar;          // XON 字符char XoffChar;         // XOFF 字符char ErrorChar;        // 替换错误的字符char EofChar;          // 文件结束符char EvtChar;          // 事件字符WORD wReserved1;       // 保留字段
} DCB, *LPDCB;

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补充2 影响速度的因素

ReadFile 的读取缓冲区的速度和范围没有固定的值，它受到以下多个因素的影响。具体的读取速度和数据范围会因场景、设备以及系统配置而有所不同。

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1. 影响 ReadFile 读取速度的因素

文件读取速度

• 现代 SSD：几百 MB/s。
• HDD：50-200 MB/s。

串口读取速度

• 受波特率限制：
  • 9600 bps：约 960 字节/秒。
  • 115200 bps：约 11,520 字节/秒。
• 调整缓冲区大小可以提升效率。

影响速度的关键点

• 硬件速率：文件存储设备、串口波特率等。
• 用户缓冲区大小：每次读取的最大字节数。
• 系统缓冲区：通过 SetupComm 设置大小。
• 数据可用性：设备中数据是否已准备好。

通过合理调整缓冲区大小与 I/O 参数，ReadFile 的速度可以优化到设备允许的上限范围。