2. linux AIO 异步读写

1.异步IO概念

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。

2.异步IO基本API

核心结构体

struct aiocb
{
    //要异步操作的文件描述符
    int aio_fildes;
    //用于lio操作时选择操作何种异步I/O类型
    int aio_lio_opcode;
    //异步读或写的缓冲区的缓冲区
    volatile void *aio_buf;
    //异步读或写的字节数
    size_t aio_nbytes;
    //异步通知的结构体
    struct sigevent aio_sigevent;
}


struct sigevent
{
    sigval_t sigev_value;
    int sigev_signo;
    int sigev_notify;
    union {
        int _pad[SIGEV_PAD_SIZE];
         int _tid;


        struct {
            void (*_function)(sigval_t);
            void *_attribute;   /* really pthread_attr_t */
        } _sigev_thread;
    } _sigev_un;
}


#define sigev_notify_function   _sigev_un._sigev_thread._function
#define sigev_notify_attributes _sigev_un._sigev_thread._attribute
#define sigev_notify_thread_id   _sigev_un._tid

API	说明
aio_read	请求异步读操作
aio_error	请求异步读操作
aio_return	请求异步读操作
aio_write	请求异步读操作
aio_suspend	请求异步读操作
aio_cancel	请求异步读操作
aio_listio	请求异步读操作

3. 异步读取aio_read

/*
该函数请求对文件进行异步读操作，若请求失败返回-1，成功则返回0，并将该请求进行排队，然后就开始对文件的异步读操作需要注意的是，我们得先对aiocb结构体进行必要的初始化
*/
int aio_read(struct aiocb *paiocb);


/*
当其状态处于EINPROGRESS则I/O还没完成，当处于ECANCELLED则操作已被取消，发生错误返回-1
*/
int aio_error(struct aiocb *aiopcb);


//返回读写的字节数
//如果操作没完成调用此函数，则会产生错误
ssize_t aio_return(struct aiocb *paiocb);

例程

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>



#define BUFFER_SIZE 1024


int MAX_LIST = 2;


int main(int argc,char **argv)
{
    //aio操作所需结构体
    struct aiocb rd;


    int fd,ret,couter;


    fd = open("test.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }




    //将rd结构体清空
    bzero(&rd,sizeof(rd));


    //为rd.aio_buf分配空间
    rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);


    //填充rd结构体
    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_nbytes =  BUFFER_SIZE;
    rd.aio_offset = 0;


    //进行异步读操作
    ret = aio_read(&rd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_read");
        exit(1);
    }


    couter = 0;
//  循环等待异步读操作结束
    while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS)
    {
        printf("第%d次\n",++couter);
    }
    //获取异步读返回值
    ret = aio_return(&rd);


    printf("\n\n返回值为:%d",ret);



    return 0;
}

注意：编译上述程序时必须在编译时再加一个-lrt

4.异步写aio_write

/*
aio_write和aio_read函数类似，当该函数返回成功时，说明该写请求以进行排队(成功0，失败-1)
其和aio_read调用时的区别是就是我们如果在打开文件是，flags设置了O_APPEND则我们在填充aiocb时不需要填充它的偏移量了
*/
int aio_write(struct aiocb *paiocb);

例程

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>


#define BUFFER_SIZE 1025


int main(int argc,char **argv)
{
    //定义aio控制块结构体
    struct aiocb wr;


    int ret,fd;


    char str[20] = {"hello,world"};


    //置零wr结构体
    bzero(&wr,sizeof(wr));


    fd = open("test.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }


    //为aio.buf申请空间
    wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if(wr.aio_buf == NULL)
    {
        perror("buf");
    }


    wr.aio_buf = str;


    //填充aiocb结构
    wr.aio_fildes = fd;
    wr.aio_nbytes = 1024;


    //异步写操作
    ret = aio_write(&wr);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_write");
    }


    //等待异步写完成
    while(aio_error(&wr) == EINPROGRESS)
    {
        printf("hello,world\n");
    }


    //获得异步写的返回值
    ret = aio_return(&wr);
    printf("\n\n\n返回值为:%d\n",ret);


    return 0;
}

5. aio_suspend & aio_cancel

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

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

6. lio_listio

/*
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.ode 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。


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

例程

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>


#define BUFFER_SIZE 1025


int MAX_LIST = 2;



int main(int argc,char **argv)
{
    struct aiocb *listio[2];
    struct aiocb rd,wr;
    int fd,ret;


    //异步读事件
    fd = open("test1.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test1.txt");
    }


    bzero(&rd,sizeof(rd));


    rd.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if(rd.aio_buf == NULL)
    {
        perror("aio_buf");
    }


    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_nbytes = 1024;
    rd.aio_offset = 0;
    rd.aio_lio_opcode = LIO_READ;   ///lio操作类型为异步读


    //将异步读事件添加到list中
    listio[0] = &rd;



    //异步些事件
    fd = open("test2.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test2.txt");
    }


    bzero(&wr,sizeof(wr));


    wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if(wr.aio_buf == NULL)
    {
        perror("aio_buf");
    }


    wr.aio_fildes = fd;
    wr.aio_nbytes = 1024;


    wr.aio_lio_opcode = LIO_WRITE;   ///lio操作类型为异步写


    //将异步写事件添加到list中
    listio[1] = &wr;


    //使用lio_listio发起一系列请求
    ret = lio_listio(LIO_WAIT,listio,MAX_LIST,NULL);


    //当异步读写都完成时获取他们的返回值


    ret = aio_return(&rd);
    printf("\n读返回值:%d",ret);


    ret = aio_return(&wr);
    printf("\n写返回值:%d",ret);




    return 0;
}

7. IO 完成时异步通知

/*
使用回调进行异步通知,该种通知方式使用一个系统回调函数来通知应用程序，要想完成此功能，我们必须在aiocb中设置我们想要进行异步回调的aiocb指针，以用来回调之后表示其自身
*/

例程

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#include<unistd.h>


#define BUFFER_SIZE 1025



void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
{
    //用来获取读aiocb结构的指针
    struct aiocb *prd;
    int ret;


    prd = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;


    printf("hello\n");


    //判断请求是否成功
    if(aio_error(prd) == 0)
    {
        //获取返回值
        ret = aio_return(prd);
        printf("读返回值为:%d\n",ret);
    }
}


int main(int argc,char **argv)
{
    int fd,ret;
    struct aiocb rd;


    fd = open("test.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }




    //填充aiocb的基本内容
    bzero(&rd,sizeof(rd));


    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_buf = (char *)malloc(sizeof(BUFFER_SIZE + 1));
    rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    rd.aio_offset = 0;


    //填充aiocb中有关回调通知的结构体sigevent
    rd.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//使用线程回调通知
    rd.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;//设置回调函数
    rd.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;//使用默认属性
    rd.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &rd;//在aiocb控制块中加入自己的引用


    //异步读取文件
    ret = aio_read(&rd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_read");
    }


    printf("异步读以开始\n");
    sleep(1);
    printf("异步读结束\n");




    return 0;
}