慢慢聊Linux AIO

一、What：异步IO是什么？ 

1. 一句话总结

允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成

 

2. 详细说说

 一般来说，服务器端的I/O主要有两种情况：一是来自网络的I/O；二是对文件(设备)的I/O。Windows的异步I/O模型能很好的适用于这两种情况。而Linux针对前者提供了epoll模型，针对后者提供了AIO模型(关于是否把两者统一起来争论了很久)。
 
AIO的基本思想:
  允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成，稍后或在接收到I/O操作完成通知时，进程可以检索I/O操作结果
  在异步非阻塞I/O中，我们可以同时发起多个传输操作，这需要每个传输操作都有唯一的上下文，这样我们才能在他们完成时区分到底是哪个传输操作完成了，这个工作可以通过aiocb结构体进行区分。  
  其中，struct aiocb主要包含以下字段：
   int               aio_fildes;        /* 要被读写的fd */
   void *            aio_buf;           /* 读写操作对应的内存buffer */
   __off64_t         aio_offset;        /* 读写操作对应的文件偏移 */
   size_t            aio_nbytes;        /* 需要读写的字节长度 */
   int               aio_reqprio;       /* 请求的优先级 */
   struct sigevent   aio_sigevent;      /* 异步事件，定义异步操作完成时的通知信号或回调函数 */
 

 

 

二、Why：为什么需要异步IO，它能干啥？

 

对于服务器程序，I/O是制约系统性能最关键的因素。对于需要处理大量连接的高并发服务器程序，异步I/O几乎是不二的选择。应用场景包括：

1）Daemon程序用于处理大量并发请求。

2）读写大文件

 

 

三、How：异步IO怎么玩

 

在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O通道。在 UNIX®中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。

在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/O Control Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。

 

API

AIO接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。


表 1. AIO接口 API

API 函数

说明

aio_read

请求异步读操作

aio_error

检查异步请求的状态

aio_return

获得完成的异步请求的返回状态

aio_write

请求异步写操作

aio_suspend

挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）

aio_cancel

取消异步 I/O 请求

lio_listio

发起一系列 I/O 操作



每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。


清单 1. aiocb结构中相关的域

struct aiocb {    

         int aio_fildes;        // File Descriptor   

         int aio_lio_opcode;    // Valid only for lio_listio (r/w/nop)   

         volatile void *aio_buf; // Data Buffer   

         size_t aio_nbytes;      // Number of Bytes in Data Buffer   

         struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure      

         ...  

};



sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。

aio_read

aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：

int aio_read( struct aiocb *aiocbp );



aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。

要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。


清单 2.使用 aio_read进行异步读操作的例子

#include <aio.h> 

int main(int argc, char*argv[]) {

         int fd, ret;  

         struct aiocb my_aiocb;  

         fd = open( "file.txt", O_RDONLY );  

         if (fd < 0)      

                   perror("open");  

         bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  

         my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1);  

         if (!my_aiocb.aio_buf)      

                   perror("malloc"); 

         my_aiocb.aio_fildes = fd;  

         my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;  

         my_aiocb.aio_offset = 0;  

         ret = aio_read( &my_aiocb );  

       if (ret < 0)

         perror("aio_read");  

    while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ;  

         if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) {        

         } 

         else {       

         }

}



在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定 aio_read的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。

注意使用这个API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。（如：my_aiocb.aio_offset= 0;  ）

aio_error

aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );



这个函数可以返回以下内容：

EINPROGRESS，说明请求尚未完成

ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了

-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno

aio_return

异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用aio_return 函数。这个函数的原型如下：

ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );



只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。



aio_write

aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：

int aio_write( struct aiocb *aiocbp );



aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。

这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。



aio_suspend

我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend 返回。 aio_suspend 的函数原型如下：

int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n,  const struct timespec *timeout );



aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。


清单 3.使用 aio_suspend函数阻塞异步 I/O

struct aioct *cblist[MAX_LIST]；   

bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) );  

cblist[0] = &my_aiocb;  

ret = aio_read( &my_aiocb );  

ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL );



注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。

如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。



aio_cancel

aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：

int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );



要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。

要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回 AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么 aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。



lio_listio

最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：

int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );



mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。  LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。

对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。


清单 4.使用 lio_listio函数发起一系列请求

struct aiocb aiocb1, aiocb2;  struct aiocb *list[MAX_LIST];  ...  aiocb1.aio_fildes = fd;  aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 );  aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;  aiocb1.aio_offset = next_offset;  aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ;  ...  bzero( (char *)list, sizeof(list) );  list[0] = &aiocb1;  list[1] = &aiocb2;  ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL );



对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。

 

 

 




AIO通知

现在我们已经看过了可用的 AIO函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。

使用信号进行异步通知

使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。


清单 5.使用信号作为 AIO请求的通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct sigaction sig_act;    struct aiocb my_aiocb;    ...       sigemptyset(&sig_act.sa_mask);    sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;    sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;       ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  } void aio_completion_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;  }



在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定 I/O 操作是否完成。

对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。

使用回调函数进行异步通知

另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。


清单 6.对 AIO请求使用线程回调通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct aiocb my_aiocb;    ...       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  }  void aio_completion_handler( sigval_t sigval )  {    struct aiocb *req;    req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;       if (aio_error( req ) == 0) {             ret = aio_return( req );    }    return;  }



在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。



对 AIO进行系统优化

proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：

/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。

/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。



本节将探索 Linux 的异步 I/O 模型，从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这种技术。

在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O 通道。在 UNIX® 中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O 中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。

在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/OControl Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。

 



AIO API

AIO 接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。


表 1. AIO接口 API

API 函数

说明

aio_read

请求异步读操作

aio_error

检查异步请求的状态

aio_return

获得完成的异步请求的返回状态

aio_write

请求异步写操作

aio_suspend

挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）

aio_cancel

取消异步 I/O 请求

lio_listio

发起一系列 I/O 操作



每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。


清单 1.aiocb结构中相关的域

struct aiocb {    int aio_fildes;        // File Descriptor   int aio_lio_opcode;    // Valid only for lio_listio (r/w/nop)   volatile void *aio_buf; // Data Buffer   size_t aio_nbytes;      // Number of Bytes in Data Buffer   struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure      ...  };



sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。

aio_read

aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：

int aio_read( struct aiocb *aiocbp );



aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。

要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。


清单 2.使用aio_read进行异步读操作的例子

#include <aio.h>  ... int fd, ret;  struct aiocb my_aiocb;  fd = open( "file.txt", O_RDONLY );  if (fd < 0)      perror("open");  bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1);  if (!my_aiocb.aio_buf)      perror("malloc"); my_aiocb.aio_fildes = fd;  my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;  my_aiocb.aio_offset = 0;  ret = aio_read( &my_aiocb );  if (ret < 0)      perror("aio_read");  while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ;  if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) {        } else {       }



在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定aio_read 的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。

 

使用 AIO接口编译程序

我们可以在 aio.h 头文件中找到函数原型和其他需要的符号。在编译使用这种接口的程序时，我们必须使用 POSIX 实时扩展库（librt）。

注意使用这个 API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。

aio_error

aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );



这个函数可以返回以下内容：

EINPROGRESS，说明请求尚未完成

ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了

-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno

aio_return

异步 I/O 和标准块 I/O之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在 read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用 aio_return 函数。这个函数的原型如下：

ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );



只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。



aio_write

aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：

int aio_write( struct aiocb *aiocbp );



aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。

这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。



aio_suspend

我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend返回。 aio_suspend 的函数原型如下：

int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[],                  int n,                  const struct timespec *timeout );



aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。


清单 3.使用 aio_suspend函数阻塞异步 I/O

struct aioct *cblist[MAX_LIST]；   bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) );  cblist[0] = &my_aiocb;  ret = aio_read( &my_aiocb );  ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL );



注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。

如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。



aio_cancel

aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：

int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );



要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。

要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。



lio_listio

最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：

int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );



mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。  LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。

对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。


清单 4.使用 lio_listio函数发起一系列请求

struct aiocb aiocb1, aiocb2;  struct aiocb *list[MAX_LIST];  ...  aiocb1.aio_fildes = fd;  aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 );  aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;  aiocb1.aio_offset = next_offset;  aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ;  ...  bzero( (char *)list, sizeof(list) );  list[0] = &aiocb1;  list[1] = &aiocb2;  ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL );



对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。

 

 

 




AIO 通知

现在我们已经看过了可用的 AIO 函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。

使用信号进行异步通知

使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。


清单 5.使用信号作为 AIO请求的通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct sigaction sig_act;    struct aiocb my_aiocb;    ...       sigemptyset(&sig_act.sa_mask);    sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;    sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;       ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  } void aio_completion_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;  }



在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定 I/O 操作是否完成。

对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。

使用回调函数进行异步通知

另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。


清单 6.对 AIO请求使用线程回调通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct aiocb my_aiocb;    ...       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  }  void aio_completion_handler( sigval_t sigval )  {    struct aiocb *req;    req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;       if (aio_error( req ) == 0) {             ret = aio_return( req );    }    return;  }



在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对 aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。



对 AIO 进行系统优化

proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：

/proc/sys/fs/aio-nr文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。

/proc/sys/fs/aio-max-nr文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。



本节将探索 Linux 的异步 I/O 模型，从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这种技术。

在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O 通道。在 UNIX® 中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O 中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。

在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/OControl Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。

 



AIO API

AIO接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。


表 1. AIO接口 API

API 函数

说明

aio_read

请求异步读操作

aio_error

检查异步请求的状态

aio_return

获得完成的异步请求的返回状态

aio_write

请求异步写操作

aio_suspend

挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）

aio_cancel

取消异步 I/O 请求

lio_listio

发起一系列 I/O 操作



每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。


清单 1.aiocb结构中相关的域

struct aiocb {    int aio_fildes;        // File Descriptor   int aio_lio_opcode;    // Valid only for lio_listio (r/w/nop)   volatile void *aio_buf; // Data Buffer   size_t aio_nbytes;      // Number of Bytes in Data Buffer   struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure      ...  };



sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。

aio_read

aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：

int aio_read( struct aiocb *aiocbp );



aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。

要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。


清单 2.使用aio_read进行异步读操作的例子

#include <aio.h>  ... int fd, ret;  struct aiocb my_aiocb;  fd = open( "file.txt", O_RDONLY );  if (fd < 0)      perror("open");  bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1);  if (!my_aiocb.aio_buf)      perror("malloc"); my_aiocb.aio_fildes = fd;  my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;  my_aiocb.aio_offset = 0;  ret = aio_read( &my_aiocb );  if (ret < 0)      perror("aio_read");  while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ;  if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) {        } else {       }



在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定 aio_read的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。

 

使用 AIO接口编译程序

我们可以在 aio.h 头文件中找到函数原型和其他需要的符号。在编译使用这种接口的程序时，我们必须使用 POSIX 实时扩展库（librt）。

注意使用这个 API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。

aio_error

aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );



这个函数可以返回以下内容：

EINPROGRESS，说明请求尚未完成

ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了

-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno

aio_return

异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用aio_return 函数。这个函数的原型如下：

ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );



只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。



aio_write

aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：

int aio_write( struct aiocb *aiocbp );



aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。

这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。



aio_suspend

我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend 返回。 aio_suspend 的函数原型如下：

int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[],                  int n,                  const struct timespec *timeout );



aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。


清单 3.使用aio_suspend函数阻塞异步 I/O

struct aioct *cblist[MAX_LIST]；   bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) );  cblist[0] = &my_aiocb;  ret = aio_read( &my_aiocb );  ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL );



注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。

如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。



aio_cancel

aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：

int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );



要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。

要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回 AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么 aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。



lio_listio

最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：

int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );



mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。  LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。

对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。


清单 4.使用 lio_listio函数发起一系列请求

struct aiocb aiocb1, aiocb2;  struct aiocb *list[MAX_LIST];  ...  aiocb1.aio_fildes = fd;  aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 );  aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;  aiocb1.aio_offset = next_offset;  aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ;  ...  bzero( (char *)list, sizeof(list) );  list[0] = &aiocb1;  list[1] = &aiocb2;  ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL );



对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。

 

 

 




AIO 通知

现在我们已经看过了可用的 AIO 函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。

使用信号进行异步通知

使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。


清单 5.使用信号作为 AIO请求的通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct sigaction sig_act;    struct aiocb my_aiocb;    ...       sigemptyset(&sig_act.sa_mask);    sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;    sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;       ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  } void aio_completion_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;  }



在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定I/O 操作是否完成。

对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。

使用回调函数进行异步通知

另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。


清单 6.对 AIO请求使用线程回调通知

void setup_io( ... )  {    int fd;    struct aiocb my_aiocb;    ...       bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );    my_aiocb.aio_fildes = fd;    my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);    my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;    my_aiocb.aio_offset = next_offset;       my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;    my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;    my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;    ...    ret = aio_read( &my_aiocb );  }  void aio_completion_handler( sigval_t sigval )  {    struct aiocb *req;    req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;       if (aio_error( req ) == 0) {             ret = aio_return( req );    }    return;  }



在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。



对 AIO 进行系统优化

proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：

/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。

/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。

 

 

 

 

 

参考

 

http://blog.sina.com.cn/s/blog_3e3fcadd0100grgk.html

posted @ 2016-04-06 10:50  方诚  阅读(649)  评论(0)  编辑  收藏  举报