Linux下AIO服务设计框架

一. 对于异步I/O的概述

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。

二.与其他I/O模型的类比

在介绍AIO之前，先来概括一下Linux下其他的I/O模型。

如图每个 I/O 模型都有自己的使用模式，它们对于特定的应用程序都有自己的优点。下面一一来介绍：

同步阻塞 I/O 模型

在这个模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用，这会导致应用程序阻塞。这意味着应用程序会一直阻塞，直到系统调用完成为止（数据传输完成或发生错误）。调用应用程序处于一种不再消费 CPU 而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）

异步阻塞 I/O
IO多路复用(复用的select线程)。I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。对于每个提示符来说，我们可以获取这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

（上述图文转自：https://blog.csdn.net/secretx/article/details/53668827）

epoll总结：

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知.
epoll的优点:
* 没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。
* 效率提升，不是轮询的方式,只管你“活跃”的连接，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数。
* 内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

>>>表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

异步非阻塞 I/O 模型是一种CPU处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

AIO编程介绍：

如下所示为AIO中的API：

API函数	说明
aio_read	异步读操作
aio_write	异步写操作
aio_error	检查异步请求的状态
aio_return	获得异步请求完成时的返回值
aio_suspend	挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已完成
aio_cancel	取消异步请求
lio_list	发起一系列异步I/O请求

aio对象

struct aiocd...

linux内核中aiocd结构体原型：

 #include <aiocb.h>
           struct aiocb {
               /* The order of these fields is implementation-dependent */
               int             aio_fildes;     /* File descriptor */
               off_t           aio_offset;     /* File offset */
               volatile void  *aio_buf;        /* Location of buffer */
               size_t          aio_nbytes;     /* Length of transfer */
               int             aio_reqprio;    /* Request priority */
               struct sigevent aio_sigevent;   /* Notification method */
               int             aio_lio_opcode; /* Operation to be performed;
                                                  lio_listio() only */
               /* Various implementation-internal fields not shown */
           };

API详细介绍及实例：

1.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。

2.aio_error()

aio_error 函数被用来确定请求的状态。

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

3.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 );

对以上三个API的源码实例：

#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;
}

4.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");
    }

    //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;
}

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;
	struct aiocb wd;
    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;
}

6.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可以有两个实参，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] = ≀

    //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 demo::

当我们的异步IO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;            //Notification type. 
    int           sigev_signo;            //Signal number. 
    union sigval  sigev_value;             //Signal value. 
    void         (*sigev_notify_function)(union sigval); //Notification function. 
    pthread_attr_t *sigev_notify_attributes;  //Notification attributes. 
}; 
union sigval
{
    int sival_int;
    void *sival_ptr;
};

#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");

    //获取返回值
    ret = aio_return(prd);

}

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;
}

以上代码均可运行。。

Linux下AIO服务设计框架

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