知識マップ: Windows I/Oの深層(第2回) ── 同期I/Oと非同期I/O:OVERLAPPEDの本当の意味

記事「Windows I/Oの深層(第2回) ── 同期I/Oと非同期I/O:OVERLAPPEDの本当の意味」の主張を、概念と関係(エッジ)に分解した知識グラフの全体です。各関係には根拠・確認日・確度が付いています。

同期I/Oと非同期I/Oは別の配管ではなく、I/Oマネージャーが完了を待つか待たずに戻るかの違いです。非同期モードはCreateFileの時点でハンドル単位に決まり、発行中の操作ごとに用意するOVERLAPPED構造体が位置と完了状態を運びます。ただしキャッシュヒットやNTFS圧縮・EFS暗号化・拡張書き込みでは非同期発行でも同期的に完了し、CancelIoExによる取り消しも完了通知を見届けるまでは依頼に過ぎません。.NETのFileOptions.Asynchronousはこのモードの直通スイッチで、モードとAPIが食い違うと「見せかけの非同期」が生まれます。

flowchart LR
    accTitle: 同期I/O・非同期I/O・OVERLAPPEDの知識マップ
    accDescr: 同期I/Oと非同期I/Oの分かれ目、FILE_FLAG_OVERLAPPEDがハンドル単位のモードを決めること、OVERLAPPED構造体が操作1つぶんの伝票であること、非同期発行でも同期完了する条件(キャッシュ・NTFS圧縮・EFS暗号化・拡張書き込み)、CancelIoExによるキャンセルの作法、.NETのFileOptions.Asynchronousとの対応を示す図
    synchronous_io["同期I/O"]
    asynchronous_io["非同期I/O"]
    overlapped_io["Overlapped I/O"]
    createfile["CreateFile"]
    overlapped_structure["OVERLAPPED構造体"]
    io_manager["I/Oマネージャー"]
    readfile["ReadFile/WriteFile"]
    sync_completion["同期完了"]
    cache_manager["キャッシュマネージャー"]
    ntfs_compression["NTFS圧縮"]
    efs_encryption["NTFS暗号化(EFS)ファイル"]
    extending_write["ファイルを伸ばす書き込み"]
    error_io_pending["ERROR_IO_PENDING"]
    getoverlappedresult["GetOverlappedResult"]
    readfileex["ReadFileEx/WriteFileEx"]
    apc["APC(非同期プロシージャコール)"]
    alertable_wait["Alertable wait"]
    cancelioex["CancelIoEx"]
    cancelio["CancelIo"]
    error_operation_aborted["ERROR_OPERATION_ABORTED"]
    cancelsynchronousio["CancelSynchronousIo"]
    setfilecompletionnotificationmodes["SetFileCompletionNotificationModes"]
    iocp["I/O完了ポート(IOCP)"]
    fileoptions_asynchronous["FileOptions.Asynchronous"]
    fake_async["見せかけの非同期"]
    randomaccess_dotnet["File.OpenHandle + RandomAccess"]
    irp["IRP(I/O要求パケット)"]
    cancellationtoken_dotnet["CancellationToken(.NET)"]
    overlapped_io -->|"実装を担う"| asynchronous_io
    overlapped_io -->|"で構成できる"| createfile
    overlapped_io -->|"利用する"| overlapped_structure
    io_manager -->|"実装を担う"| synchronous_io
    asynchronous_io -->|"両立しない"| synchronous_io
    readfile -.->|"前提とする"| overlapped_structure
    readfile -.->|"原因になり得る"| sync_completion
    sync_completion -.->|"前提とする"| cache_manager
    ntfs_compression -->|"原因になり得る"| sync_completion
    efs_encryption -->|"原因になり得る"| sync_completion
    extending_write -->|"原因になり得る"| sync_completion
    sync_completion -->|"両立しない"| error_io_pending
    readfile -.->|"原因になり得る"| error_io_pending
    error_io_pending -->|"前提とする"| overlapped_io
    getoverlappedresult -->|"前提とする"| overlapped_structure
    readfileex -->|"利用する"| apc
    apc -->|"前提とする"| alertable_wait
    cancelioex -->|"の後継"| cancelio
    cancelioex -->|"前提とする"| overlapped_structure
    cancelioex -.->|"原因になり得る"| error_operation_aborted
    error_operation_aborted -->|"前提とする"| overlapped_structure
    cancelsynchronousio -->|"推奨される対応"| synchronous_io
    cancelioex -->|"推奨される対応"| overlapped_io
    cancelio -->|"用いるのは非推奨"| overlapped_io
    setfilecompletionnotificationmodes -->|"前提とする"| iocp
    setfilecompletionnotificationmodes -.->|"推奨される対応"| sync_completion
    fileoptions_asynchronous -->|"実装を担う"| overlapped_io
    fake_async -->|"前提とする"| synchronous_io
    fileoptions_asynchronous -->|"防止する"| fake_async
    randomaccess_dotnet -.->|"前提とする"| fileoptions_asynchronous
    cancelsynchronousio -->|"原因になり得る"| error_operation_aborted
    overlapped_io -.->|"利用する"| iocp
    asynchronous_io -.->|"原因になり得る"| sync_completion
    cancelioex -->|"利用する"| irp
    cancellationtoken_dotnet -.->|"利用する"| cancelioex
    cancellationtoken_dotnet -.->|"両立しない"| fake_async

概念間の関係(全36件)

図と同じ関係を文章でも列挙します。表示している文と機械可読な意味データ(RDFa)は同じ要素に載っています。確度が「確立した関係」のものは直接の関係として、「条件付きの関係」のものは成立条件つきの言明(rdf:Statement)として表現しています。

Overlapped I/Oは非同期I/Oの実装を担います。Overlapped I/Oは、FILE_FLAG_OVERLAPPEDとOVERLAPPED構造体という具体的なAPIの形で非同期I/Oを実装したもの / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
Overlapped I/OはCreateFileで構成できます。非同期モードはCreateFileにFILE_FLAG_OVERLAPPEDを渡すことでハンドル単位に決まり、呼び出しごとには切り替えられない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
Overlapped I/OはOVERLAPPED構造体を利用します。発行中の操作1つを識別し、その状態(位置・完了・転送バイト数)を運ぶためにOVERLAPPED構造体を使う / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
I/Oマネージャーは同期I/Oの実装を担います。要求がペンディングになった場合、I/Oマネージャーが完了を待ち合わせてからアプリへ制御を返すことで同期I/Oを実現する / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
非同期I/Oは同期I/Oと両立しません。同じハンドルは同期モードか非同期モードのどちらか一方であり、呼び出しごとに切り替えることはできない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ReadFile/WriteFileはOVERLAPPED構造体を前提とします。非同期モードのハンドルにReadFile/WriteFileを発行する場合、OVERLAPPED構造体の指定が必須になる / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ReadFile/WriteFileは同期完了の原因になることがあります。非同期ハンドルへの発行でも、要求がすぐ満たせる場合はTRUEを返してその場で完了することがある / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
同期完了はキャッシュマネージャーを前提とします。同期完了の代表例は、要求されたデータがキャッシュマネージャーの管理するキャッシュに全部載っている場合である / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
NTFS圧縮は同期完了の原因になることがあります。NTFS圧縮されたファイルへのアクセスは、ファイルシステムドライバーが同期処理に変換するため、非同期発行でも同期的に完了する / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
NTFS暗号化(EFS)ファイルは同期完了の原因になることがあります。NTFS暗号化(EFS)されたファイルへのアクセスも、同期処理に変換されるため非同期発行でも同期的に完了する / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ファイルを伸ばす書き込みは同期完了の原因になることがあります。ファイルの長さを伸ばす書き込みは同期処理になるため、非同期発行でも同期的に完了する / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
同期完了はERROR_IO_PENDINGと両立しません。1回の発行結果として、TRUE(同期完了)とFALSE+ERROR_IO_PENDING(進行中)は同時には起こらない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ReadFile/WriteFileはERROR_IO_PENDINGの原因になることがあります。要求が受理されたが完了はまだの場合、FALSEとERROR_IO_PENDINGが返り、完了は通知側で受け取る / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ERROR_IO_PENDINGはOverlapped I/Oを前提とします。ERROR_IO_PENDINGは非同期モード(Overlapped I/O)のハンドルへの発行に特有の戻り値である / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
GetOverlappedResultはOVERLAPPED構造体を前提とします。GetOverlappedResultは、対応するOVERLAPPED構造体から操作の成否と転送バイト数を取り出す / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
ReadFileEx/WriteFileExはAPC(非同期プロシージャコール)を利用します。ReadFileEx/WriteFileExは、完了時に呼ばれる完了ルーチンを発行したスレッドのAPCキューに積む方式で通知する / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
APC(非同期プロシージャコール)はAlertable waitを前提とします。APCが実際に実行されるのは、対象スレッドがSleepExなどのalertable waitに入ったときに限られる / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
CancelIoExはCancelIoの後継に当たります。CancelIoExはCancelIoの後継で、発行したスレッド以外からも未完了I/Oを取り消せるようになった(Vistaで追加) / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
CancelIoExはOVERLAPPED構造体を前提とします。特定の1操作だけを取り消したい場合、対応するOVERLAPPEDへのポインターを渡す(NULLならそのハンドルの全操作が対象) / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancelIoExはERROR_OPERATION_ABORTEDの原因になることがあります。取り消しに成功した操作はERROR_OPERATION_ABORTEDとしての完了通知になる。完了間際だった操作は正常完了することもある / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
ERROR_OPERATION_ABORTEDはOVERLAPPED構造体を前提とします。ERROR_OPERATION_ABORTEDの完了通知を受け取るまでは、OVERLAPPEDとバッファをカーネルが使用中であり解放してはならない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancelSynchronousIoは同期I/Oに対する本記事の推奨です。同期I/Oで固まっている別スレッドを外から取り消したいときは、CancelIoEx系ではなくCancelSynchronousIoを使う / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
CancelIoExはOverlapped I/Oに対する本記事の推奨です。非同期I/Oの取り消しには、どのスレッドが発行したかに関係なく使えるCancelIoExを使う / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancelIoをOverlapped I/Oに用いることは推奨されません。CancelIoは呼び出したスレッド自身が発行した操作しか取り消せない制約があり、CancelIoExが使える環境であえて選ぶ理由はない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
SetFileCompletionNotificationModesはI/O完了ポート(IOCP)を前提とします。FILE_SKIP_COMPLETION_PORT_ON_SUCCESSが抑止できるのはI/O完了ポートへの完了パケットだけで、OVERLAPPED.hEventのシグナルは抑止されない / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
SetFileCompletionNotificationModesは同期完了に対する本記事の推奨です。同期完了時に結果はその場で分かっているので、高頻度I/Oでは完了ポートへのパケットを省いてキュー経由の無駄を減らす最適化として使う / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
FileOptions.AsynchronousはOverlapped I/Oの実装を担います。.NETのFileOptions.Asynchronous(useAsync)はFILE_FLAG_OVERLAPPEDへの直通スイッチで、指定するとハンドルが非同期モードで開かれる / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
見せかけの非同期は同期I/Oを前提とします。見せかけの非同期は、ハンドルが同期モードのままReadAsync/WriteAsyncを呼んだときに生じる。スレッドプールのスレッドが同期読み書きを肩代わりして待つ / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
FileOptions.Asynchronousは見せかけの非同期を防ぎます。FileOptions.Asynchronousでハンドルを非同期モードで開けば、ReadAsync呼び出しが本物の非同期I/Oになり、見せかけの非同期を避けられる / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
File.OpenHandle + RandomAccessはFileOptions.Asynchronousを前提とします。.NET 6以降のFile.OpenHandle+RandomAccessを非同期に使うには、FileOptions.Asynchronousでハンドルを開く / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancelSynchronousIoはERROR_OPERATION_ABORTEDの原因になることがあります。CancelSynchronousIoで取り消された同期操作は、ERROR_OPERATION_ABORTEDでの失敗として返る / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
Overlapped I/OはI/O完了ポート(IOCP)を利用します。多数の同時I/Oを少数のスレッドで受ける完了通知の経路として、ハンドルをI/O完了ポートに関連付けることができる / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
非同期I/Oは同期完了の原因になることがあります。非同期に発行しても、キャッシュヒットやNTFS圧縮・暗号化・拡張書き込みなどの条件が揃えばその場で完了することがあり、応答性は保証されない / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancelIoExはIRP(I/O要求パケット)を利用します。CancelIoExは該当する未完了IRPにキャンセルをマークし、ドライバーのキャンセルルーチンを呼び出させる / 確度: 確立した関係 / 確認日: 2026-08-01 出典
CancellationToken(.NET)はCancelIoExを利用します。非同期モードのハンドルであれば、.NETのCancellationTokenによるファイルI/Oのキャンセルは内部的にCancelIoExに行き着く / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典出典
CancellationToken(.NET)は見せかけの非同期と両立しません。同期モードのハンドルによる見せかけの非同期では、取り消し対象となるオーバーラップ操作が存在しないため、CancellationTokenによる中断は確実には効かない / 確度: 条件付きの関係 / 確認日: 2026-08-01 出典

主要概念の定義

同期I/O: I/O要求の完了まで呼び出しが戻らないI/Oの形態。実体は「完了する前には戻らない」という保証であり、要求がペンディングになったときだけスレッドが待機状態になる。
非同期I/O: 要求を発行した呼び出しがI/Oの完了を待たずにすぐ戻り、完了を別途の通知(イベント・APC・I/O完了ポートなど)で受け取るI/Oの形態。
Overlapped I/O: FILE_FLAG_OVERLAPPEDを付けて開いたハンドルに対し、操作ごとのOVERLAPPED構造体を渡して行うWin32の非同期I/Oの具体的な実装形態。モードはハンドル単位でCreateFileの時点に決まる。
I/Oマネージャー: Windowsカーネルモードで、アプリケーションとデバイスドライバーの間のI/O要求を統括するコンポーネント。要求のほとんどをIRPに詰めてデバイススタックへ流す。
ReadFile/WriteFile: ファイルやデバイスの読み書きを行うWin32 API。非同期モードのハンドルに対してはOVERLAPPED構造体の指定が必須で、戻り値とGetLastErrorの組み合わせで結果が3通りに分かれる。
同期完了: 非同期モードのハンドルへ発行したI/Oが、呼び出しの中でその場(TRUEを返して)完了すること。キャッシュヒット・NTFS圧縮/暗号化・拡張書き込みなどで起こる。
NTFS圧縮: データを圧縮ユニット単位で圧縮して格納するNTFSの透過的な圧縮機能。読み書きのたびに展開・再圧縮のコストが伴う。
NTFS暗号化(EFS)ファイル: EFS(Encrypting File System)で暗号化されたファイル。NTFS圧縮と同様、アクセスが同期処理に変換されるため非同期発行でも同期的に完了する。
ファイルを伸ばす書き込み: ファイルの長さを増やす書き込み操作。非同期発行でも同期的に完了する条件の1つ。
ERROR_IO_PENDING: 非同期モードのハンドルへの発行が受理され、完了はまだであることを示すエラーコード(997)。エラーではなく「受理」を意味する。
GetOverlappedResult: 非同期操作の結果(成否と転送バイト数)を、対応するOVERLAPPED構造体から取得するWin32 API。bWait=TRUEで完了まで待つこともできる。
ReadFileEx/WriteFileEx: 完了時に呼ばれる完了ルーチン(コールバック)を受け取るReadFile/WriteFileの拡張版。完了ルーチンは発行したスレッドのAPCキューに積まれる。
APC(非同期プロシージャコール): 特定スレッドのコンテキストで非同期に実行される関数。各スレッドが自分のAPCキューを持ち、ユーザーモードAPCはスレッドがalertable状態のときにのみ実行される。
CancelIoEx: どのスレッドが発行したかに関係なく、指定ハンドルの未完了I/Oにキャンセルを要求できるWin32 API。取り消された操作はERROR_OPERATION_ABORTEDでの完了として返る。
ERROR_OPERATION_ABORTED: CancelIoEx等で取り消された操作が、完了として返ってくる際のエラーコード。この通知を受け取るまでOVERLAPPEDとバッファを解放してはならない。
CancelSynchronousIo: 指定したスレッドが実行中の同期I/O操作にキャンセルを要求するWin32 API。同期I/Oで固まっている別スレッドを外から取り消すために使う。
CancelIo: 呼び出したスレッド自身が発行したI/O操作しか取り消せない、CancelIoExの前身にあたるWin32 API。
SetFileCompletionNotificationModes: I/Oが即時に成功した場合にI/O完了ポートへ完了パケットを積まない動作(FILE_SKIP_COMPLETION_PORT_ON_SUCCESS)を選べるWin32 API。OVERLAPPED.hEventのシグナルは抑止しない。
FileOptions.Asynchronous: .NETのFileStreamコンストラクターやFile.OpenHandleで、OSレベルの非同期I/O(FILE_FLAG_OVERLAPPED)を有効にする指定。ハンドルのモードを直接決める。
見せかけの非同期: 同期モードのハンドルに対してReadAsync/WriteAsyncを呼んだ結果生じる状態。呼び出し元はブロックされないが、裏でスレッドプールのスレッドが同期読み書きを肩代わりして待つ。
File.OpenHandle + RandomAccess: .NET 6以降で、SafeFileHandleとオフセットを明示して読み書きするAPI。Win32の非同期ハンドル+OVERLAPPED.Offsetという素の形に近い書き方ができる。
CancellationToken(.NET): .NETの協調的キャンセルの仕組み。非同期モードのハンドルへのファイルI/Oでは、内部的にCancelIoExの呼び出しに行き着く。

機械可読データ

JSON-LD / Turtle ── この記事の知識グラフ全体
概念一覧 / 語彙(述語)の定義

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