linux AIO详细总结（阻塞模型）

简介：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，但是我们在 2.4 版本内核的补丁中也可以找到它。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。

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。

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。

       在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO 中，这是一个 aiocb（AIO I/O Control Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O （称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O 操作。这个 API 的展示显示了如何使用它。

表 1. AIO 接口 API
API 函数 说明

aio_read	请求异步读操作
aio_error	检查异步请求的状态
aio_return	获得完成的异步请求的返回状态
aio_write	请求异步写操作
aio_suspend	挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）
aio_cancel	取消异步 I/O 请求
lio_listio	发起一系列 I/O 操作

详细见：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

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。

 

AIO实现一般使用libaio进行在用户层实现，libaio提供了很多简易的操作API：

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);