Linux中AIO设计框架

概述

aio异步读写是在Linux内核2.6之后才正式纳入其标准。之所以会增加此模块，是因为众所周知我们计算机CPU的执行速度远大于I/O读写的执行速度，如果我们用传统的阻塞式或非阻塞式来操作I/O的话，那么我们在同一个程序中(不用多线程或多进程)就不能同时操作俩个以上的文件I/O，每次只能对一个文件进行I/O操作，很明显这样效率很低下(因为CPU速度远大于I/O操作的速度，所以当执行I/O时，CPU其实还可以做更多的事)。因此就诞生了相对高效的异步I/O

AIO编程方法

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。

AIO对象

struct aiocb

struct aiocb
{
  int aio_fildes;               // 文件描述符
  int aio_lio_opcode;           // 对于批量发起AIO时的设置（读/写）
  volatile void *aio_buf;       // 缓冲区
  size_t aio_nbytes;            // 缓冲区的大小
  struct sigevent aio_sigevent; // AIO的回调函数设置
  /* Internal fields */
  ...
};
AIO_READ  读
AIO_WRITE 写

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。

aio_error

aio_error 函数被用来确定请求的状态。(状态：是否读/写完成)

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );

返回值

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
0 ,说明完成当前请求

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 );

返回值大于0表示为读/写的字节数
返回值小于0表示读/写错误

demo

#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);
    }
	//do other things
	
    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\n",ret);
	printf("%s\n",rd.aio_buf);
	
	free(rd.aio_buf);
	close(fd);
    return 0;
}

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。

demo

#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 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");
    }


    wr.aio_buf = str;

    //填充aiocb结构
    wr.aio_fildes = fd;
    wr.aio_nbytes = sizeof(str);

    //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;
}

aio_suspend

aio_suspend函数可以时当前进程挂起，直到有向其注册的异步事件完成为止
阻塞
当有AIO请求返程后，该函数返回

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

第一个参数是个保存了aiocb块地址的数组，我们可以向其内添加想要等待阻塞的异步事件，第二个参数为向cblist注册的aiocb个数,第三个参数为等待阻塞的超时时间，NULL为无限等待

demo

#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;

    //cblist链表
    struct aiocb *aiocb_list[2];



    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;

    //将读fd的事件注册
    aiocb_list[0] = &rd;

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

    printf("我要开始等待异步读事件完成\n");
    //阻塞等待异步读事件完成
    ret = aio_suspend(aiocb_list,MAX_LIST,NULL);
	
	
    //获取异步读返回值
    ret = aio_return(&rd);

    printf("\n\n返回值为:%d\n",ret);


    return 0;
}

lio_listio

aio同时还为我们提供了一个可以发起多个或多种I/O请求的接口lio_listio
这个函数效率很高，因为我们只需一次系统调用(一次内核上下位切换)就可以完成大量的I/O操作

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

第一个参数mode可以有俩个实参，LIO_WAIT和LIO_NOWAIT，前一个会阻塞该调用直到所有I/O都完成为止，后一个则会挂入队列就返回

LIO_WAIT 阻塞发起
LIO_NOWAIT 非阻塞发起

批量发起AIO的两种方法

阻塞等到所有发起的AIO全部完成后，才会返回
发起后立即返回，通过绑定的信号来通知

LIO_WAIT demo

#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;
}

LIO_NOWAIT

当我们的异步I/O操作完成之时，我们可以通过信号通知我们的进程也可用回调函数来进行异步通知，接下来我会为大家主要介绍以下回调函数来进行异步通知

struct sigevent {
    int           sigev_notify;            //通知类型
    int           sigev_signo;            //信号的值
    union sigval  sigev_value;             //回调函数中的参数
    void         (*sigev_notify_function)(union sigval); //回调函数 
    pthread_attr_t *sigev_notify_attributes;  //通知属性
};

union sigval
{
    int sival_int;
    void *sival_ptr;
};

demo

#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;
}

Linux中AIO设计框架

概述

AIO编程方法

AIO对象

aio_read

aio_error

aio_return

aio_write

demo

aio_suspend

demo

lio_listio

LIO_WAIT demo

LIO_NOWAIT

demo

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