Linux 异步IO机制

    技术2022-05-19  19

    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。


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