Linux异步IO编程实例

在Direct IO模式下，异步是非常有必要的（因为绕过了pagecache，直接和磁盘交互）。linux Native AIO正是基于这种场景设计的，具体的介绍见：KernelAsynchronousI/O (AIO) SupportforLinux。下面我们就来分析一下AIO编程的相关知识。

阻塞模式下的IO过程如下：

int fd = open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

ssize_t pread(int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);

ssize_t pwrite(int fd, const void *buf, size_t count, off_t offset);

int close(int fd);

因为整个过程会等待read/write的返回，所以不需要任何额外的数据结构。但异步IO的思想是：应用程序不能阻塞在昂贵的系统调用上让CPU睡大觉，而是将IO操作抽象成一个个的任务单元提交给内核，内核完成IO任务后将结果放在应用程序可以取到的地方。这样在底层做I/O的这段时间内，CPU可以去干其他的计算任务。但异步的IO任务批量的提交和完成，必须有自身可描述的结构，最重要的两个就是iocb和io_event。

libaio中的structs

struct iocb {

void *data; /* Return in the io completion event */

unsigned key; /*r use in identifying io requests */

short aio_lio_opcode;

short aio_reqprio;

int aio_fildes;

union {

struct io_iocb_common c;

struct io_iocb_vector v;

struct io_iocb_poll poll;

struct io_iocb_sockaddr saddr;

} u;

};

struct io_iocb_common {

void *buf;

unsigned long nbytes;

long long offset;

unsigned flags;

unsigned resfd;

};

iocb是提交IO任务时用到的，可以完整地描述一个IO请求：

data是留给用来自定义的指针：可以设置为IO完成后的callback函数；

aio_lio_opcode表示操作的类型：IO_CMD_PWRITE | IO_CMD_PREAD；

aio_fildes是要操作的文件：fd；

io_iocb_common中的buf, nbytes, offset分别记录的IO请求的mem buffer，大小和偏移。

struct io_event {

void *data;

struct iocb *obj;

unsigned long res;

unsigned long res2;

};

io_event是用来描述返回结果的：

obj就是之前提交IO任务时的iocb；

res和res2来表示IO任务完成的状态。

libaio提供的API和完成IO的过程

libaio提供的API有：io_setup, io_submit, io_getevents, io_destroy。

1. 建立IO任务

int io_setup (int maxevents, io_context_t *ctxp);

io_context_t对应内核中一个结构，为异步IO请求提供上下文环境。注意在setup前必须将io_context_t初始化为0。

当然，这里也需要open需要操作的文件，注意设置O_DIRECT标志。

2.提交IO任务

long io_submit (aio_context_t ctx_id, long nr, struct iocb **iocbpp);

提交任务之前必须先填充iocb结构体，libaio提供的包装函数说明了需要完成的工作：

void io_prep_pread(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, long long offset)

{

memset(iocb, 0, sizeof(*iocb));

iocb->aio_fildes = fd;

iocb->aio_lio_opcode = IO_CMD_PREAD;

iocb->aio_reqprio = 0;

iocb->u.c.buf = buf;

iocb->u.c.nbytes = count;

iocb->u.c.offset = offset;

}

void io_prep_pwrite(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, long long offset)

{

memset(iocb, 0, sizeof(*iocb));

iocb->aio_fildes = fd;

iocb->aio_lio_opcode = IO_CMD_PWRITE;

iocb->aio_reqprio = 0;

iocb->u.c.buf = buf;

iocb->u.c.nbytes = count;

iocb->u.c.offset = offset;

}

这里注意读写的buf都必须是按扇区对齐的，可以用posix_memalign来分配。

3.获取完成的IO

long io_getevents (aio_context_t ctx_id, long min_nr, long nr, struct io_event *events, struct timespec *timeout);

这里最重要的就是提供一个io_event数组给内核来copy完成的IO请求到这里，数组的大小是io_setup时指定的maxevents。

timeout是指等待IO完成的超时时间，设置为NULL表示一直等待所有到IO的完成。

4.销毁IO任务

int io_destroy (io_context_t ctx);

libaio和epoll的结合

在异步编程中，任何一个环节的阻塞都会导致整个程序的阻塞，所以一定要避免在io_getevents调用时阻塞式的等待。还记得io_iocb_common中的flags和resfd吗？看看libaio是如何提供io_getevents和事件循环的结合：

void io_set_eventfd(struct iocb *iocb, int eventfd)

{

iocb->u.c.flags |= (1 << 0) /* IOCB_FLAG_RESFD */;

iocb->u.c.resfd = eventfd;

}

这里的resfd是通过系统调用eventfd生成的。

int eventfd(unsigned int initval, int flags);

eventfd是linux 2.6.22内核之后加进来的syscall，作用是内核用来通知应用程序发生的事件的数量，从而使应用程序不用频繁地去轮询内核是否有时间发生，而是有内核将发生事件的数量写入到该fd，应用程序发现fd可读后，从fd读取该数值，并马上去内核读取。

有了eventfd，就可以很好地将libaio和epoll事件循环结合起来：

1. 创建一个eventfd

efd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);

2. 将eventfd设置到iocb中

io_set_eventfd(iocb, efd);

3. 交接AIO请求

io_submit(ctx, NUM_EVENTS, iocb);

4. 创建一个epollfd，并将eventfd加到epoll中

epfd = epoll_create(1);

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, efd, &epevent);

epoll_wait(epfd, &epevent, 1, -1);

5. 当eventfd可读时，从eventfd读出完成IO请求的数量，并调用io_getevents获取这些IO

read(efd, &finished_aio, sizeof(finished_aio);

r = io_getevents(ctx, 1, NUM_EVENTS, events, &tms);

一个完整的编程实例

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6b19f21d0100znza.html

以上就是linux 异步IO编程的一些基础知识，希望对感兴趣的同学或多或少有些帮忙，谢谢。

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