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【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。


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
);

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。
    • nullptr:表示异步操作,ReadFile 会立即返回,读取操作会在后台完成。

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。

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。

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;
}

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;
}

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);
}

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,DCBDevice 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。


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;

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。


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。

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