Linux AIO

Linux aio是Linux下的异步读写模型。Linux 异步 I/O 是 Linux 内核中提供的一个相当新的增强。它是 2.6 版本内核的一个标准特性。对于文件的读写，即使以O_NONBLOCK方式来打开一个文件，也会处于"阻塞"状态。因为文件时时刻刻处于可读状态。而从磁盘到内存所等待的时间是惊人的。为了充份发挥把数据从磁盘复制到内存的时间，引入了aio模型。AIO 背后的基本思想是允许进程发起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到 I/O 操作完成的通知时，进程就可以检索 I/O 操作的结果。

I/O 模型

在深入介绍 AIO API 之前，让我们先来探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O 模型。这并不是一个详尽的介绍，但是我们将试图介绍最常用的一些模型来解释它们与异步 I/O 之间的区别。图 1 给出了同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。


图 1. 基本 Linux I/O 模型的简单矩阵
 
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。本节将简要对其一一进行介绍。

 

同步阻塞 I/O

最常用的一个模型是同步阻塞 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。

图 2 给出了传统的阻塞 I/O 模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。

图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
 
从应用程序的角度来说，read 调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

 

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），如图 3 所示。


图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
 
非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。正如图 3 所示的一样，这个方法可以引入 I/O 操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

 

异步阻塞 I/O

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。在这种模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求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。


图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)
 
select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。

 

异步非阻塞 I/O（AIO）

最后，异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 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。


图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程
 

在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

从前面 I/O 模型的分类中，我们可以看出 AIO 的动机。这种阻塞模型需要在 I/O 操作开始时阻塞应用程序。这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允许处理和 I/O 操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 I/O 操作的状态。这样就剩下异步非阻塞 I/O 了，它允许处理和 I/O 操作重叠进行，包括 I/O 操作完成的通知。除了需要阻塞之外，select 函数所提供的功能（异步阻塞 I/O）与 AIO 类似。不过，它是对通知事件进行阻塞，而不是对 I/O 调用进行阻塞。


Linux 上的 AIO 简介


linux下有aio封装，aio_*系列的调用是glibc提供的，是glibc用线程+阻塞调用来模拟的，性能很差，为了能更多的控制io行为，可以使用更为低级libaio。
libaio项目: http://oss.oracle.com/projects/libaio-oracle/

libaio的使用并不复杂，过程为：libaio的初始化，io请求的下发和回收，libaio销毁。

一、libaio接口
libaio提供下面五个主要API函数：

int io_setup(int maxevents, io_context_t *ctxp);
int io_destroy(io_context_t ctx);
int io_submit(io_context_t ctx, long nr, struct iocb *ios[]);
int io_cancel(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, struct io_event *evt);
int io_getevents(io_context_t ctx_id, long min_nr, long nr, struct io_event *events, struct timespec *timeout);

五个宏定义：

void io_set_callback(struct iocb *iocb, io_callback_t cb);
void io_prep_pwrite(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, long long offset);
void io_prep_pread(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, long long offset);
void io_prep_pwritev(struct iocb *iocb, int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt, long long offset);
void io_prep_preadv(struct iocb *iocb, int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt, long long offset);

这五个宏定义都是操作struct iocb的结构体。struct iocb是libaio中很重要的一个结构体，用于表示IO，但是其结构略显复杂，为了保持封装性不建议直接操作其元素而用上面五个宏定义操作。

二、libaio的初始化和销毁

观察libaio五个主要API，都用到类型为io_context的变量，这个变量为libaio的工作空间。不用具体去了解这个变量的结构，只需要了解其相关操作。创建和销毁libaio分别用到io_setup（也可以用io_queue_init，区别只是名字不一样而已）和io_destroy。

int io_setup(int maxevents, io_context_t *ctxp);
int io_destroy(io_context_t ctx);

三、libaio读写请求的下发和回收

1. 请求下发

libaio的读写请求都用io_submit下发。下发前通过io_prep_pwrite和io_prep_pread生成iocb的结构体，做为io_submit的参数。这个结构体中指定了读写类型、起始扇区、长度和设备标志符。

libaio的初始化不是针对一个具体设备进行初始，而是创建一个libaio的工作环境。读写请求下发到哪个设备是通过open函数打开的设备标志符指定。


2. 请求返回

读写请求下发之后，使用io_getevents函数等待io结束信号：

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

io_getevents返回events的数组，其参数events为数组首地址，nr为数组长度（即最大返回的event数），min_nr为最少返回的events数。timeout可填NULL表示无等待超时。io_event结构体的声明为：

struct io_event {
    PADDEDptr(void *data, __pad1);
    PADDEDptr(struct iocb *obj,  __pad2);
    PADDEDul(res,  __pad3);
    PADDEDul(res2, __pad4);
};

其中，res为实际完成的字节数；res2为读写成功状态，0表示成功；obj为之前下发的struct iocb结构体。这里有必要了解一下struct iocb这个结构体的主要内容：

iocbp->iocb.u.c.nbytes 字节数
iocbp->iocb.u.c.offset 偏移
iocbp->iocb.u.c.buf 缓冲空间
iocbp->iocb.u.c.flags 读写

3. 自定义字段

struct iocb除了自带的元素外，还留有供用户自定义的元素，包括回调函数和void *的data指针。如果在请求下发前用io_set_callback绑定用户自定义的回调函数，那么请求返回后就可以显示的调用该函数。回调函数的类型为：

void callback_function(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, long res, long res2);

另外，还可以通过iocbp->data指针挂上用户自己的数据。

注意：实际使用中发现回调函数和data指针不能同时用，可能回调函数本身就是使用的data指针。


四、使用例子


通过上面的说明并不能完整的了解libaio的用法，下面通过简单的例子进一步说明。


#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <libaio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <libaio.h>


int srcfd=-1;
int odsfd=-1;


#define AIO_BLKSIZE  1024
#define AIO_MAXIO 64


static void wr_done(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, long res, long res2)
{
       if(res2 != 0)
       {
              printf(“aio write error ”);
       }
       if(res != iocb->u.c.nbytes)
       {
              printf( “write missed bytes expect %d got %d ”, iocb->u.c.nbytes, res);
              exit(1);
       }
 
       free(iocb->u.c.buf);
       free(iocb);
}


static void rd_done(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, long res, long res2)
{
       /*library needs accessors to look at iocb*/
       int iosize = iocb->u.c.nbytes;
       char *buf = (char *)iocb->u.c.buf;
       off_t offset = iocb->u.c.offset;
       int  tmp;
       char *wrbuff = NULL;
 
       if(res2 != 0)
       {
             printf(“aio read ”);
       }
       if(res != iosize)
       {
              printf( “read missing bytes expect %d got %d”, iocb->u.c.nbytes, res);
              exit(1);
       }
 
       /*turn read into write*/
       tmp = posix_memalign((void **)&wrbuff, getpagesize(), AIO_BLKSIZE);
       if(tmp < 0)
       {
              printf(“posix_memalign222 ”);
              exit(1);
       }
 
       snprintf(wrbuff, iosize + 1, “%s”, buf);
 
       printf(“wrbuff-len = %d:%s ”, strlen(wrbuff), wrbuff);
       printf(“wrbuff_len = %d ”, strlen(wrbuff));
       free(buf);
       
       io_prep_pwrite(iocb, odsfd, wrbuff, iosize, offset);
       io_set_callback(iocb, wr_done);
       
       if(1!= (res=io_submit(ctx, 1, &iocb)))
              printf(“io_submit write error ”);
       
       printf(“ submit  %d  write request ”, res);
}


void main(int args,void * argv[])
{
    int length = sizeof(“abcdefg”);
    char * content = (char * )malloc(length);
    io_context_t myctx;
    int rc;
    char * buff=NULL;
    int offset=0;
    int num,i,tmp;
    
    if(args<3)
    {
        printf(“the number of param is wrong ”);
        exit(1);
    }


      if((srcfd=open(argv[1],O_RDWR))<0)
      {
        printf(“open srcfile error ”);
        exit(1);
      }


      printf(“srcfd=%d ”,srcfd);


      lseek(srcfd,0,SEEK_SET);
      write(srcfd,”abcdefg”,length);
      
      lseek(srcfd,0,SEEK_SET);
      read(srcfd,content,length);


      printf(“write in the srcfile successful,content is %s ”,content);


      if((odsfd=open(argv[2],O_RDWR))<0)
      {
        close(srcfd);
        printf(“open odsfile error ”);
        exit(1);
      }


    memset(&myctx, 0, sizeof(myctx));
    io_queue_init(AIO_MAXIO, &myctx);
 
     
       struct iocb *io = (struct iocb*)malloc(sizeof(struct iocb));
       int iosize = AIO_BLKSIZE;
       tmp = posix_memalign((void **)&buff, getpagesize(), AIO_BLKSIZE);
        if(tmp < 0)
        {
              printf(“posix_memalign error ”);
              exit(1);
         }
        if(NULL == io)
        {
            printf( “io out of memeory ”);
             exit(1);
        }


                           
        io_prep_pread(io, srcfd, buff, iosize, offset);
                      
        io_set_callback(io, rd_done);
                
         printf(“START… ”);
                
         rc = io_submit(myctx, 1, &io);
    
          if(rc < 0)
               printf(“io_submit read error ”);
          
          printf(“ submit  %d  read request ”, rc);
             
           
          //m_io_queue_run(myctx);
          
       struct io_event events[AIO_MAXIO];
          io_callback_t cb;
         
          num = io_getevents(myctx, 1, AIO_MAXIO, events, NULL);
          printf(“ %d io_request completed ”, num);
      
          for(i=0;i<num;i++)
         {
              cb = (io_callback_t)events[i].data;
              struct iocb *io = events[i].obj;
            
              printf(“events[%d].data = %x, res = %d, res2 = %d ”, i, cb, events[i].res, events[i].res2);
              cb(myctx, io, events[i].res, events[i].res2);
          }
     
}