Linux C语言异步I/O的高效实现

Linux C语言异步I/O基础概念

什么是异步I/O

在Linux系统下，同步I/O操作是指当一个I/O操作发起后，程序会一直等待该操作完成，才会继续执行后续的代码。例如，当调用read函数读取文件时，程序会阻塞在该函数调用处，直到数据读取完成或者发生错误。而异步I/O则不同，当发起一个异步I/O操作后，程序不会等待操作完成，而是继续执行后续的代码。当I/O操作完成时，系统会通过某种机制通知程序操作已完成。这种方式可以显著提高程序的并发性能，特别是在处理大量I/O操作的场景下，如网络服务器、文件服务器等。

异步I/O的优势

1. 提高系统吞吐量：在同步I/O中，当I/O操作进行时，CPU处于等待状态，无法执行其他任务。而异步I/O允许CPU在I/O操作进行的同时，继续执行其他计算任务，从而充分利用CPU资源，提高整个系统的吞吐量。例如，在一个网络服务器中，同时有多个客户端请求数据，如果使用同步I/O，服务器在处理一个客户端请求的I/O操作时，无法响应其他客户端的请求。而使用异步I/O，服务器可以在处理一个客户端I/O操作的同时，处理其他客户端的请求，大大提高了服务器的并发处理能力。
2. 改善用户体验：在一些交互式应用程序中，如图形界面应用程序，如果使用同步I/O，当进行文件读取或网络请求等I/O操作时，界面会出现卡顿现象，影响用户体验。而异步I/O可以在后台执行I/O操作，不会阻塞界面的响应，从而提供更流畅的用户体验。

Linux下的异步I/O机制

aio系列函数

Linux提供了一系列的异步I/O函数，以aio_开头，这些函数定义在<aio.h>头文件中。

1. aio_read函数
   • 函数原型：int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
   • 功能：发起一个异步读操作。aiocbp是一个指向struct aiocb结构体的指针，该结构体包含了异步I/O操作的各种参数，如文件描述符、读取的缓冲区地址、读取的字节数等。
   • 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd;
    struct aiocb aiocb;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化aiocb结构体
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buffer;
    aiocb.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    aiocb.aio_offset = 0;

    // 发起异步读操作
    if (aio_read(&aiocb) == -1) {
        perror("aio_read");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 等待异步操作完成
    while (aio_error(&aiocb) == EINPROGRESS) {
        // 可以在此处执行其他任务
    }

    ssize_t read_bytes = aio_return(&aiocb);
    if (read_bytes == -1) {
        perror("aio_return");
    } else {
        printf("Read %zd bytes: %.*s\n", read_bytes, (int)read_bytes, buffer);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

2. aio_write函数
   • 函数原型：int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
   • 功能：发起一个异步写操作。同样，aiocbp指向一个包含写操作参数的struct aiocb结构体。
   • 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd;
    struct aiocb aiocb;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = "This is a test string for asynchronous write.";

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化aiocb结构体
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buffer;
    aiocb.aio_nbytes = strlen(buffer);
    aiocb.aio_offset = 0;

    // 发起异步写操作
    if (aio_write(&aiocb) == -1) {
        perror("aio_write");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 等待异步操作完成
    while (aio_error(&aiocb) == EINPROGRESS) {
        // 可以在此处执行其他任务
    }

    ssize_t write_bytes = aio_return(&aiocb);
    if (write_bytes == -1) {
        perror("aio_return");
    } else {
        printf("Wrote %zd bytes\n", write_bytes);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

3. aio_error函数
   • 函数原型：int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);
   • 功能：检查指定异步I/O操作的状态。如果操作仍在进行中，返回EINPROGRESS；如果操作成功完成，返回0；如果操作失败，返回相应的错误码。
4. aio_return函数
   • 函数原型：ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
   • 功能：获取异步I/O操作的返回值。在异步操作完成后调用此函数，返回值为读取或写入的字节数，如果操作失败，返回-1。

io_submit函数（io_uring）

io_uring是Linux内核提供的一种高性能异步I/O框架，它通过io_submit函数来提交I/O请求。

1. io_uring初始化
   • 步骤：首先需要创建一个io_uring实例，使用io_uring_queue_init函数。然后设置io_uring的参数，如队列大小等。
   • 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <liburing.h>

#define QUEUE_SIZE 64

int main() {
    struct io_uring ring;
    int ret;

    // 初始化io_uring
    ret = io_uring_queue_init(QUEUE_SIZE, &ring, 0);
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_queue_init");
        return 1;
    }

    // 后续操作...

    // 清理io_uring
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

2. 提交I/O请求
   • 函数原型：int io_submit(struct io_uring *ring, unsigned int nr, struct io_uring_sqe **sqes);
   • 功能：将一批I/O请求提交到io_uring队列中。ring是io_uring实例的指针，nr是要提交的请求数量，sqes是一个指向io_uring_sqe结构体指针数组的指针，io_uring_sqe结构体用于描述具体的I/O请求。
   • 示例代码（以异步读为例）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <liburing.h>

#define QUEUE_SIZE 64
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    struct io_uring ring;
    struct io_uring_sqe *sqe;
    struct io_uring_cqe *cqe;
    int fd, ret;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 初始化io_uring
    ret = io_uring_queue_init(QUEUE_SIZE, &ring, 0);
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_queue_init");
        return 1;
    }

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 获取一个sqe
    sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    if (!sqe) {
        perror("io_uring_get_sqe");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 设置sqe参数
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);

    // 提交请求
    ret = io_submit(&ring, 1, &sqe);
    if (ret != 1) {
        perror("io_submit");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 获取完成的请求
    ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_wait_cqe");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    if (cqe->res < 0) {
        perror("read operation failed");
    } else {
        printf("Read %d bytes: %.*s\n", cqe->res, cqe->res, buffer);
    }

    // 释放完成的请求
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);

    // 关闭文件和清理io_uring
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

异步I/O的事件通知机制

信号通知

1. 原理：在异步I/O中，可以使用信号机制来通知程序I/O操作的完成。当异步I/O操作完成时，系统会向程序发送一个特定的信号。程序需要预先注册一个信号处理函数，当收到该信号时，信号处理函数会被调用，在信号处理函数中可以处理I/O操作的结果。
2. 示例代码（以aio_read为例）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

struct aiocb aiocb;
char buffer[BUFFER_SIZE];

void signal_handler(int signum) {
    ssize_t read_bytes = aio_return(&aiocb);
    if (read_bytes == -1) {
        perror("aio_return");
    } else {
        printf("Read %zd bytes: %.*s\n", read_bytes, (int)read_bytes, buffer);
    }
}

int main() {
    int fd;

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化aiocb结构体
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buffer;
    aiocb.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    aiocb.aio_offset = 0;

    // 注册信号处理函数
    signal(SIGUSR1, signal_handler);

    // 设置异步I/O操作完成时发送的信号
    aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGUSR1;

    // 发起异步读操作
    if (aio_read(&aiocb) == -1) {
        perror("aio_read");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 主程序可以继续执行其他任务
    while (1) {
        sleep(1);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

轮询方式

1. 原理：通过不断调用aio_error函数来检查异步I/O操作的状态。如果操作仍在进行中，aio_error返回EINPROGRESS；当操作完成时，返回0或错误码。在循环中不断检查，直到操作完成。
2. 示例代码（aio系列函数轮询）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd;
    struct aiocb aiocb;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化aiocb结构体
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buffer;
    aiocb.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    aiocb.aio_offset = 0;

    // 发起异步读操作
    if (aio_read(&aiocb) == -1) {
        perror("aio_read");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 轮询检查操作状态
    while (aio_error(&aiocb) == EINPROGRESS) {
        // 可以在此处执行其他任务
    }

    ssize_t read_bytes = aio_return(&aiocb);
    if (read_bytes == -1) {
        perror("aio_return");
    } else {
        printf("Read %zd bytes: %.*s\n", read_bytes, (int)read_bytes, buffer);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

在io_uring中，也可以通过轮询io_uring_peek_cqe函数来获取完成的I/O请求，而不需要像io_uring_wait_cqe那样阻塞等待。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <liburing.h>

#define QUEUE_SIZE 64
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    struct io_uring ring;
    struct io_uring_sqe *sqe;
    struct io_uring_cqe *cqe;
    int fd, ret;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 初始化io_uring
    ret = io_uring_queue_init(QUEUE_SIZE, &ring, 0);
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_queue_init");
        return 1;
    }

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 获取一个sqe
    sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    if (!sqe) {
        perror("io_uring_get_sqe");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 设置sqe参数
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);

    // 提交请求
    ret = io_submit(&ring, 1, &sqe);
    if (ret != 1) {
        perror("io_submit");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 轮询获取完成的请求
    while ((ret = io_uring_peek_cqe(&ring, &cqe)) == 0) {
        // 可以在此处执行其他任务
    }
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_peek_cqe");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    if (cqe->res < 0) {
        perror("read operation failed");
    } else {
        printf("Read %d bytes: %.*s\n", cqe->res, cqe->res, buffer);
    }

    // 释放完成的请求
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);

    // 关闭文件和清理io_uring
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

异步I/O性能优化

合理设置缓冲区大小

1. 缓冲区大小对性能的影响：在异步I/O中，缓冲区大小的选择非常关键。如果缓冲区过小，会导致频繁的I/O操作，增加系统开销。例如，每次读取或写入的数据量过少，会使得I/O请求次数增多，而每次I/O请求都需要一定的系统资源来处理，如内核态和用户态的切换等。相反，如果缓冲区过大，虽然可以减少I/O请求次数，但会占用过多的内存资源，并且可能导致数据传输的延迟增加，因为要等待缓冲区填满或清空才进行I/O操作。
2. 优化方法：根据具体的应用场景和硬件环境来选择合适的缓冲区大小。一般来说，可以通过实验和性能测试来确定最优值。例如，在网络应用中，需要考虑网络带宽和延迟等因素。如果网络带宽较高，较大的缓冲区可能会提高性能；而在延迟敏感的应用中，较小的缓冲区可能更合适，以减少数据传输的延迟。在文件I/O中，可以根据文件的访问模式和系统内存情况来调整缓冲区大小。对于顺序读取的大文件，较大的缓冲区可以充分利用系统的预读机制，提高读取性能。

批量提交I/O请求

1. 批量提交的优势：在io_uring中，批量提交I/O请求可以减少系统调用的次数，从而提高性能。每次调用io_submit都需要进行一次系统调用，而系统调用会带来一定的开销，包括内核态和用户态的切换等。通过将多个I/O请求批量提交，可以将多次系统调用合并为一次，降低系统开销。
2. 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <liburing.h>

#define QUEUE_SIZE 64
#define BUFFER_SIZE 1024
#define REQUESTS 10

int main() {
    struct io_uring ring;
    struct io_uring_sqe *sqes[REQUESTS];
    struct io_uring_cqe *cqe;
    int fd, ret;
    char buffers[REQUESTS][BUFFER_SIZE];

    // 初始化io_uring
    ret = io_uring_queue_init(QUEUE_SIZE, &ring, 0);
    if (ret < 0) {
        perror("io_uring_queue_init");
        return 1;
    }

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 获取多个sqe并设置参数
    for (int i = 0; i < REQUESTS; i++) {
        sqes[i] = io_uring_get_sqe(&ring);
        if (!sqes[i]) {
            perror("io_uring_get_sqe");
            close(fd);
            io_uring_queue_exit(&ring);
            return 1;
        }
        io_uring_prep_read(sqes[i], fd, buffers[i], BUFFER_SIZE, i * BUFFER_SIZE);
    }

    // 批量提交请求
    ret = io_submit(&ring, REQUESTS, sqes);
    if (ret != REQUESTS) {
        perror("io_submit");
        close(fd);
        io_uring_queue_exit(&ring);
        return 1;
    }

    // 获取完成的请求
    for (int i = 0; i < REQUESTS; i++) {
        ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
        if (ret < 0) {
            perror("io_uring_wait_cqe");
            close(fd);
            io_uring_queue_exit(&ring);
            return 1;
        }

        if (cqe->res < 0) {
            perror("read operation failed");
        } else {
            printf("Read %d bytes from buffer %d: %.*s\n", cqe->res, i, cqe->res, buffers[i]);
        }

        io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
    }

    // 关闭文件和清理io_uring
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

避免不必要的同步操作

1. 同步操作对异步I/O性能的影响：在使用异步I/O时，要尽量避免在异步操作完成之前进行不必要的同步操作。例如，在等待异步I/O操作完成的过程中，不要调用一些会阻塞的同步函数，如某些文件锁操作、同步I/O函数等。这些同步操作会阻塞程序的执行，使得异步I/O的优势无法发挥，降低系统的并发性能。
2. 优化方法：在设计程序时，要合理安排代码逻辑，将需要等待异步I/O结果的部分与其他可以并行执行的任务分开。可以使用事件通知机制，当异步I/O操作完成后，通过信号或其他事件通知方式来触发相应的处理逻辑，而不是在主程序中一直等待异步操作完成。同时，要仔细检查代码中是否存在潜在的同步操作，尽量使用异步或非阻塞的方式来替代。

异步I/O应用场景

网络服务器

1. 场景描述：在网络服务器中，需要同时处理多个客户端的连接和数据传输。例如，一个Web服务器可能同时有大量的用户请求网页资源。如果使用同步I/O，服务器在处理一个客户端的I/O操作时，无法响应其他客户端的请求，导致服务器的并发处理能力低下。
2. 异步I/O的应用：使用异步I/O可以在处理一个客户端的I/O操作时，继续处理其他客户端的请求。例如，通过io_uring框架，服务器可以批量提交多个客户端的网络I/O请求（如读取客户端发送的数据、向客户端发送响应数据等），然后通过轮询或事件通知机制来获取请求的完成状态，从而提高服务器的并发处理能力和吞吐量。

文件服务器

1. 场景描述：文件服务器需要处理大量的文件读取和写入请求，例如多个用户同时下载或上传文件。同步I/O会使得服务器在处理一个文件I/O操作时，无法及时响应其他用户的请求。
2. 异步I/O的应用：利用异步I/O的aio系列函数或io_uring，文件服务器可以异步处理文件的读取和写入操作。在收到用户的文件操作请求后，服务器可以立即发起异步I/O操作，然后继续处理其他用户的请求。当异步I/O操作完成时，通过事件通知或轮询机制来处理操作结果，这样可以大大提高文件服务器的性能和响应速度。

多媒体处理应用

1. 场景描述：在多媒体处理应用中，如视频播放、音频录制等，经常需要进行大量的文件I/O操作来读取媒体文件或写入录制的数据。同步I/O可能会导致播放卡顿或录制数据丢失等问题。
2. 异步I/O的应用：通过异步I/O，多媒体应用可以在后台进行文件的读取或写入操作，而不会阻塞主线程。例如，在视频播放过程中，可以异步读取视频文件的下一帧数据，当数据读取完成时，通过事件通知主线程进行播放，这样可以保证视频播放的流畅性。在音频录制应用中，异步写入录制数据可以避免因为I/O操作的延迟而导致的数据丢失。