Linux 异步IO机制

末蓝、 2022-08-13 17:59 117阅读 0赞

Linux的I/O机制经历了一下几个阶段的演进：  
1. 同步阻塞I/O: 用户进程进行I/O操作，一直阻塞到I/O操作完成为止。  
2. 同步非阻塞I/O: 用户程序可以通过设置文件描述符的属性O\_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是并不保证I/O操作成功。  
3. 异步事件阻塞I/O: 用户进程可以对I/O事件进行阻塞，但是I/O操作并不阻塞。通过select/poll/epoll等函数调用来达到此目的。  
4. 异步时间非阻塞I/O: 也叫做异步I/O(AIO)，用户程序可以通过向内核发出I/O请求命令，不用等带I/O事件真正发生，可以继续做  
           另外的事情，等I/O操作完成，内核会通过函数回调或者信号机制通知用户进程。这样很大程度提高了系统吞吐量。  
             
下面就AIO做详细介绍：  
要使用aio的功能，需要include头文件aio.h，在编译连接的时候需要加入POSIX实时扩展库rt.下面就aio库的使用做介绍。  
1. AIO整个过程所使用的数据存放在一个结构体中，struct aiocb,aio control block.看看头文件中的定义：

/\* Asynchronous I/O control block.  \*/  
struct aiocb  
\{  
  int aio\_fildes;               /\* File desriptor.  \*/ 需要在哪个文件描述符上进行I/O  
  int aio\_lio\_opcode;           /\* Operation to be performed.  \*/ 这个是针对批量I/O的情况有效，读写操作类型  
  int aio\_reqprio;              /\* Request priority offset.  \*/ 请求优先级（If  \_POSIX\_PRIORITIZED\_IO  is defined, and this file supports it, then the  
                                       asynchronous operation is submitted at a priority equal to that of the  
                                       calling process minus aiocbp->aio\_reqprio.）  
  volatile void \*aio\_buf;       /\* Location of buffer.  \*/ 具体内容，数据缓存  
  size\_t aio\_nbytes;            /\* Length of transfer.  \*/ 数据缓存的长度  
  struct sigevent aio\_sigevent; /\* Signal number and value.  \*/ 用于异步I/O完成后的通知。

内部实现使用的数据成员。  
  /\* Internal members.  \*/  
  struct aiocb \*\_\_next\_prio;  
  int \_\_abs\_prio;  
  int \_\_policy;  
  int \_\_error\_code;  
  \_\_ssize\_t \_\_return\_value;

\#ifndef \_\_USE\_FILE\_OFFSET64  
  \_\_off\_t aio\_offset;           /\* File offset.  \*/  
  char \_\_pad\[sizeof (\_\_off64\_t) - sizeof (\_\_off\_t)\];  
\#else  
  \_\_off64\_t aio\_offset;         /\* File offset.  \*/ 文件读写偏移  
\#endif  
  char \_\_unused\[32\];  
\};

2. int aio\_read(struct aiocb \*aiocbp);  
异步读操作，向内核发出读的命令，传入的参数是一个aiocb的结构，比如  
struct aiocb myaiocb;  
memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));  
myaiocb.aio\_fildes = fd;  
myaiocb.aio\_buf = new char\[1024\];  
myaiocb.aio\_nbytes = 1024;  
if (aio\_read(&myaiocb) != 0)  
\{  
  printf("aio\_read error:%s/n" , strerror(errno));  
  return false;  
\}

3. int aio\_write(struct aiocb \*aiocbp);  
异步写操作，向内核发出写的命令，传入的参数仍然是一个aiocb的结构，当文件描述符的O\_APPEND  
标志位设置后，异步写操作总是将数据添加到文件末尾。如果没有设置，则添加到aio\_offset指定的  
地方，比如：  
struct aiocb myaiocb;  
memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));  
myaiocb.aio\_fildes = fd;  
myaiocb.aio\_buf = new char\[1024\];  
myaiocb.aio\_nbytes = 1024;  
myaiocb.aio\_offset = 0;  
if (aio\_write(&myaiocb) != 0)  
\{  
  printf("aio\_read error:%s/n" , strerror(errno));  
  return false;  
\}

4. int aio\_error(const struct aiocb \*aiocbp);  
如果该函数返回0，表示aiocbp指定的异步I/O操作请求完成。  
如果该函数返回EINPROGRESS，表示aiocbp指定的异步I/O操作请求正在处理中。  
如果该函数返回ECANCELED，表示aiocbp指定的异步I/O操作请求已经取消。  
如果该函数返回-1，表示发生错误，检查errno。

5. ssize\_t aio\_return(struct aiocb \*aiocbp);  
这个函数的返回值相当于同步I/O中，read/write的返回值。只有在aio\_error调用后  
才能被调用。

6. int aio\_cancel(int fd, struct aiocb \*aiocbp);  
取消在文件描述符fd上的aiocbp所指定的异步I/O请求。  
如果该函数返回AIO\_CANCELED，表示操作成功。  
如果该函数返回AIO\_NOTCANCELED，表示取消操作不成功，使用aio\_error检查一下状态。  
如果返回-1，表示发生错误，检查errno.

7. int lio\_listio(int mode, struct aiocb \*restrict const list\[restrict\],  
             int nent, struct sigevent \*restrict sig);  
使用该函数，在很大程度上可以提高系统的性能，因为再一次I/O过程中，OS需要进行  
用户态和内核态的切换，如果我们将更多的I/O操作都放在一次用户太和内核太的切换中，  
减少切换次数，换句话说在内核尽量做更多的事情。这样可以提高系统的性能。

用户程序提供一个struct aiocb的数组，每个元素表示一次AIO的请求操作。需要设置struct aiocb  
中的aio\_lio\_opcode数据成员的值，有LIO\_READ，LIO\_WRITE和LIO\_NOP。  
nent表示数组中元素的个数。最后一个参数是对AIO操作完成后的通知机制的设置。

8. 设置AIO的通知机制，有两种通知机制：信号和回调  
(1).信号机制  
 首先我们应该捕获SIGIO信号，对其作处理：  
 struct sigaction sig\_act;  
 sigempty(&sig\_act.sa\_mask);  
 sig\_act.sa\_flags = SA\_SIGINFO;  
  sig\_act.sa\_sigaction = aio\_handler;  
   
  struct aiocb myaiocb;  
  bzero( (char \*)&myaiocb, sizeof(struct aiocb) );  
  myaiocb.aio\_fildes = fd;  
  myaiocb.aio\_buf = malloc(BUF\_SIZE+1);  
  myaiocb.aio\_nbytes = BUF\_SIZE;  
  myaiocb.aio\_offset = next\_offset;  
   
  myaiocb.aio\_sigevent.sigev\_notify = SIGEV\_SIGNAL;  
  myaiocb.aio\_sigevent.sigev\_signo = SIGIO;  
  myaiocb.aio\_sigevent.sigev\_value.sival\_ptr = &myaiocb;

ret = sigaction( SIGIO, &sig\_act, NULL );

信号处理函数的实现：  
 void aio\_handler( int signo, siginfo\_t \*info, void \*context )  
 \{  
  struct aiocb \*req;  
   
  if (info->si\_signo == SIGIO) \{  
    req = (struct aiocb \*)info->si\_value.sival\_ptr;  
     
    if (aio\_error( req ) == 0) \{  
      ret = aio\_return( req );  
    \}  
  \}  
  return;  
\}

(2). 回调机制  
需要设置：  
myaiocb.aio\_sigevent.sigev\_notify = SIGEV\_THREAD  
my\_aiocb.aio\_sigevent.notify\_function = aio\_handler;

回调函数的原型：  
typedef void (\* FUNC\_CALLBACK)(sigval\_t sigval);

AIO机制为服务器端高并发应用程序提供了一种性能优化的手段。加大了系统吞吐量。