Linux 原生异步 IO 原理与使用(Native AIO)
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2021-03-23 17:30
什么是异步 IO?
异步 IO:当应用程序发起一个 IO 操作后,调用者不能立刻得到结果,而是在内核完成 IO 操作后,通过信号或回调来通知调用者。
异步 IO 与同步 IO 的区别如 图1 所示:
从上图可知,同步 IO 必须等待内核把 IO 操作处理完成后才返回。而异步 IO 不必等待 IO 操作完成,而是向内核发起一个 IO 操作就立刻返回,当内核完成 IO 操作后,会通过信号的方式通知应用程序。
Linux 原生 AIO 原理
Linux Native AIO
是 Linux 支持的原生 AIO,为什么要加原生这个词呢?因为Linux存在很多第三方的异步 IO 库,如 libeio
和 glibc AIO
。所以为了加以区别,Linux 的内核提供的异步 IO 就称为原生异步 IO。
很多第三方的异步 IO 库都不是真正的异步 IO,而是使用多线程来模拟异步 IO,如 libeio
就是使用多线程来模拟异步 IO 的。
本文主要介绍 Linux 原生 AIO 的原理和使用,所以不会对其他第三方的异步 IO 库进行分析,下面我们先来介绍 Linux 原生 AIO 的原理。
如 图2 所示:
Linux 原生 AIO 处理流程:
当应用程序调用
io_submit
系统调用发起一个异步 IO 操作后,会向内核的 IO 任务队列中添加一个 IO 任务,并且返回成功。内核会在后台处理 IO 任务队列中的 IO 任务,然后把处理结果存储在 IO 任务中。
应用程序可以调用
io_getevents
系统调用来获取异步 IO 的处理结果,如果 IO 操作还没完成,那么返回失败信息,否则会返回 IO 处理结果。
从上面的流程可以看出,Linux 的异步 IO 操作主要由两个步骤组成:
1) 调用
io_submit
函数发起一个异步 IO 操作。2) 调用
io_getevents
函数获取异步 IO 的结果。
下面我们主要分析,Linux 内核是怎么实现异步 IO 的。
Linux 原生 AIO 使用
在介绍 Linux 原生 AIO 的实现之前,先通过一个简单的例子来介绍其使用过程:
int main()
{
io_context_t context;
struct iocb io[1], *p[1] = {&io[0]};
struct io_event e[1];
unsigned nr_events = 10;
struct timespec timeout;
char *wbuf;
int wbuflen = 1024;
int ret, num = 0, i;
posix_memalign((void **)&wbuf, 512, wbuflen);
memset(wbuf, '@', wbuflen);
memset(&context, 0, sizeof(io_context_t));
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_nsec = 10000000;
int fd = open(FILEPATH, O_CREAT|O_RDWR|O_DIRECT, 0644); // 1. 打开要进行异步IO的文件
if (fd < 0) {
printf("open error: %d\n", errno);
return 0;
}
if (0 != io_setup(nr_events, &context)) { // 2. 创建一个异步IO上下文
printf("io_setup error: %d\n", errno);
return 0;
}
io_prep_pwrite(&io[0], fd, wbuf, wbuflen, 0); // 3. 创建一个异步IO任务
if ((ret = io_submit(context, 1, p)) != 1) { // 4. 提交异步IO任务
printf("io_submit error: %d\n", ret);
io_destroy(context);
return -1;
}
while (1) {
ret = io_getevents(context, 1, 1, e, &timeout); // 5. 获取异步IO的结果
if (ret < 0) {
printf("io_getevents error: %d\n", ret);
break;
}
if (ret > 0) {
printf("result, res2: %d, res: %d\n", e[0].res2, e[0].res);
break;
}
}
return 0;
}
上面通过一个简单的例子来展示了 Linux 原生 AIO 的使用过程,主要有以下步骤:
通过调用
open
系统调用打开要进行异步 IO 的文件,要注意的是 AIO 操作必须设置O_DIRECT
直接 IO 标志位。调用
io_setup
系统调用创建一个异步 IO 上下文。调用
io_prep_pwrite
或者io_prep_pread
函数创建一个异步写或者异步读任务。调用
io_submit
系统调用把异步 IO 任务提交到内核。调用
io_getevents
系统调用获取异步 IO 的结果。
在上面的例子中,我们获取异步 IO 操作的结果是在一个无限循环中进行的,其实 Linux 还支持一种基于 eventfd
事件通知的机制,可以通过 eventfd
和 epoll
结合来实现事件驱动的方式来获取异步 IO 操作的结果,有兴趣可以查阅相关的内容。
总结
本文主要介绍了 Linux 原生 AIO 的原理和使用,Linux 原生 AIO 的使用比较简单,但其内部实现比较复杂,在下篇文章中将会介绍 Linux 原生 AIO 的实现。