Linux下使用非同步 I/O 大大提高應用程式的效能

Linux 中最常用的輸入/輸出（I/O）模型是同步 I/O。在這個模型中，當請求發出之後，應用程式就會阻塞，直到請求滿足為止。這是很好的一種解決方案，因為調用應用程式在等待 I/O 請求完成時不需要使用任何中央處理單元（CPU）。但是在某些情況中，I/O 請求可能需要與其他進程產生交疊。可移植作業系統介面（POSIX）非同步 I/O（AIO）應用程式介面（API）就提供了這種功能。在本文中，我們將對這個 API 概要進行介紹，並來瞭解一下如何使用它。

AIO 簡介

Linux 非同步 I/O 是 Linux 核心中提供的一個相當新的增強。它是 2.6 版本核心的一個標準特性，但是我們在 2.4 版本核心的補丁中也可以找到它。AIO 背後的基本思想是允許進程發起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍後或在接收到 I/O 操作完成的通知時，進程就可以檢索 I/O 操作的結果。

I/O 模型

在深入介紹 AIO API 之前，讓我們先來探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O 模型。這並不是一個詳盡的介紹，但是我們將試圖介紹最常用的一些模型來解釋它們與非同步 I/O 之間的區別。圖 1 給出了同步和非同步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

圖 1. 基本 Linux I/O 模型的簡單矩陣

每個 I/O 模型都有自己的使用模式，它們對於特定的應用程式都有自己的優點。本節將簡要對其一一進行介紹。

同步阻塞 I/O

I/O 密集型與 CPU 密集型進程的比較

I/O 密集型進程所執行的 I/O 操作比執行的處理操作更多。CPU 密集型的進程所執行的處理操作比 I/O 操作更多。Linux 2.6 的調度器實際上更加偏愛 I/O 密集型的進程，因為它們通常會發起一個 I/O 操作，然後進行阻塞，這就意味著其他工作都可以在兩者之間有效地交錯進行。

最常用的一個模型是同步阻塞 I/O 模型。在這個模型中，使用者空間的應用程式執行一個系統調用，這會導致應用程式阻塞。這意味著應用程式會一直阻塞，直到系統調用完成為止（資料轉送完成或發生錯誤）。調用應用程式處於一種不再消費 CPU 而只是簡單等待響應的狀態，因此從處理的角度來看，這是非常有效。

圖 2 給出了傳統的阻塞 I/O 模型，這也是目前應用程式中最為常用的一種模型。其行為非常容易理解，其用法對於典型的應用程式來說都非常有效。在調用 read
系統調用時，應用程式會阻塞並對核心進行環境切換。然後會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的裝置中返回），資料就被移動到使用者空間的緩衝區中。然後應用程式就會解除阻塞（read
調用返回）。

圖 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程

從應用程式的角度來說，read
調用會延續很長時間。實際上，在核心執行讀操作和其他工作時，應用程式的確會被阻塞。

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中，裝置是以非阻塞的形式開啟的。這意味著 I/O 操作不會立即完成，read
操作可能會返回一個錯誤碼，說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN
或 EWOULDBLOCK
）， 3 所示。

圖 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程

非阻塞的實現是 I/O 命令可能並不會立即滿足，需要應用程式調用許多次來等待操作完成。這可能效率不高，因為在很多情況下，當核心執行這個命令時，應用程式必須要進行忙碌等待，直到資料可用為止，或者試圖執行其他工作。正 3 所示的一樣，這個方法可以引入 I/O 操作的延時，因為資料在核心中變為可用到使用者調用 read
返回資料之間存在一定的間隔，這會導致整體資料輸送量的降低。

非同步阻塞 I/O

另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞 I/O。在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然後使用阻塞 select
系統調用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。使 select
調用非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知，而不僅僅為一個描述符提供通知。對於每個提示符來說，我們可以請求這個描述符可以寫資料、有讀資料可用以及是否發生錯誤的通知。

圖 4. 非同步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)

select
調用的主要問題是它的效率不是非常高。儘管這是非同步通知使用的一種方便模型，但是對於高效能的 I/O 操作來說不建議使用。

非同步非阻塞 I/O（AIO）

最後，非同步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進行的模型。讀請求會立即返回，說明 read
請求已經成功發起了。在後台完成讀操作時，應用程式然後會執行其他處理操作。當 read
的響應到達時，就會產生一個訊號或執行一個基於線程的回呼函數來完成這次 I/O 處理過程。

圖 5. 非同步非阻塞 I/O 模型的典型流程

在一個進程中為了執行多個 I/O 請求而對計算操作和 I/O 處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差異。當一個或多個 I/O 請求掛起時，CPU 可以執行其他任務；或者更為常見的是，在發起其他 I/O 的同時對已經完成的 I/O 進行操作。

下一節將深入介紹這種模型，探索這種模型使用的 API，然後展示幾個命令。

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非同步 I/O 的動機

從前面 I/O 模型的分類中，我們可以看出 AIO 的動機。這種阻塞模型需要在 I/O 操作開始時阻塞應用程式。這意味著不可能同時重疊進行處理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允許處理和 I/O 操作重疊進行，但是這需要應用程式根據重現的規則來檢查 I/O 操作的狀態。這樣就剩下非同步非阻塞 I/O 了，它允許處理和 I/O 操作重疊進行，包括 I/O 操作完成的通知。

除了需要阻塞之外，select
函數所提供的功能（非同步阻塞 I/O）與 AIO 類似。不過，它是對通知事件進行阻塞，而不是對 I/O 調用進行阻塞。

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Linux 上的 AIO 簡介

本節將探索 Linux 的非同步 I/O 模型，從而協助我們理解如何在應用程式中使用這種技術。

在傳統的 I/O 模型中，有一個使用惟一控制代碼標識的 I/O 通道。在 UNIX 中，這些控制代碼是檔案描述符（這對等同於檔案、管道、通訊端等等）。在阻塞 I/O 中，我們發起了一次傳輸操作，當傳輸操作完成或發生錯誤時，系統調用就會返回。

Linux 上的 AIO

AIO 在 2.5 版本的核心中首次出現，現在已經是 2.6 版本的產品核心的一個標準特性了。

在非同步非阻塞 I/O 中，我們可以同時發起多個傳輸操作。這需要每個傳輸操作都有惟一的上下文，這樣我們才能在它們完成時區分到底是哪個傳輸操作完成了。在 AIO 中，這是一個 aiocb
（AIO I/O Control Block）結構。這個結構包含了有關傳輸的所有資訊，包括為資料準備的使用者緩衝區。在產生 I/O （稱為完成）通知時，aiocb
結構就被用來惟一標識所完成的 I/O 操作。這個 API 的展示顯示了如何使用它。

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AIO API

AIO 介面的 API 非常簡單，但是它為資料轉送提供了必需的功能，並給出了兩個不同的通知模型。表 1 給出了 AIO 的介面函數，本節稍後會更詳細進行介紹。

表 1. AIO 介面 API

API 函數
說明

aio_read

請求非同步讀操作

aio_error

檢查非同步請求的狀態

aio_return

獲得完成的非同步請求的返回狀態

aio_write

請求非同步寫操作

aio_suspend

掛起調用進程，直到一個或多個非同步請求已經完成（或失敗）

aio_cancel

取消非同步 I/O 請求

lio_listio

發起一系列 I/O 操作

每個 API 函數都使用 aiocb
結構開始或檢查。這個結構有很多元素，但是清單 1 僅僅給出了需要（或可以）使用的元素。

清單 1. aiocb 結構中相關的域

  struct aiocb {  int aio_fildes;               // File Descriptor  int aio_lio_opcode;           // Valid only for lio_listio (r/w/nop)  volatile void *aio_buf;       // Data Buffer  size_t aio_nbytes;            // Number of Bytes in Data Buffer  struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure  /* Internal fields */  ...};

sigevent
結構告訴 AIO 在 I/O 操作完成時應該執行什麼操作。我們將在 AIO 的展示中對這個結構進行探索。現在我們將展示各個 AIO 的 API 函數是如何工作的，以及我們應該如何使用它們。

aio_read

aio_read
函數請求對一個有效檔案描述符進行非同步讀操作。這個檔案描述符可以表示一個檔案、通訊端甚至管道。aio_read
函數的原型如下：

int aio_read( struct aiocb *aiocbp );

aio_read
函數在請求進行排隊之後會立即返回。如果執行成功，傳回值就為 0；如果出現錯誤，傳回值就為 -1，並設定 errno
的值。

要執行讀操作，應用程式必須對 aiocb
結構進行初始化。下面這個簡短的例子就展示了如何填充 aiocb
請求結構，並使用 aio_read
來執行非同步讀請求（現在暫時忽略通知）操作。它還展示了 aio_error
的用法，不過我們將稍後再作解釋。

清單 2. 使用 aio_read 進行非同步讀操作的例子

  #include ...  int fd, ret;  struct aiocb my_aiocb;  fd = open( "file.txt", O_RDONLY );  if (fd < 0) perror("open");  /* Zero out the aiocb structure (recommended) */  bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  /* Allocate a data buffer for the aiocb request */  my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1);  if (!my_aiocb.aio_buf) perror("malloc");  /* Initialize the necessary fields in the aiocb */  my_aiocb.aio_fildes = fd;  my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;  my_aiocb.aio_offset = 0;  ret = aio_read( &my_aiocb );  if (ret < 0) perror("aio_read");  while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ;  if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) {    /* got ret bytes on the read */  } else {    /* read failed, consult errno */  }

在清單 2 中，在開啟要從中讀取資料的檔案之後，我們就清空了 aiocb
結構，然後分配一個資料緩衝區。並將對這個資料緩衝區的引用放到 aio_buf
中。然後，我們將 aio_nbytes
初始化成緩衝區的大小。並將 aio_offset
設定成 0（該檔案中的第一個位移量）。我們將 aio_fildes
設定為從中讀取資料的檔案描述符。在設定這些域之後，就調用 aio_read
請求進行讀操作。我們然後可以調用 aio_error
來確定 aio_read
的狀態。只要狀態是 EINPROGRESS
，就一直忙碌等待，直到狀態發生變化為止。現在，請求可能成功，也可能失敗。

使用 AIO 介面來編譯器

我們可以在 aio.h
標頭檔中找到函數原型和其他需要的符號。在編譯使用這種介面的程式時，我們必須使用 POSIX 即時擴充庫（librt
）。

注意使用這個 API 與標準的庫函數從檔案中讀取內容是非常相似的。除了 aio_read
的一些非同步特性之外，另外一個區別是讀操作位移量的設定。在傳統的 read
調用中，位移量是在檔案描述符上下文中進行維護的。對於每個讀操作來說，位移量都需要進行更新，這樣後續的讀操作才能對下一塊資料進行定址。對於非同步 I/O 操作來說這是不可能的，因為我們可以同時執行很多讀請求，因此必須為每個特定的讀請求都指定位移量。

aio_error

aio_error
函數被用來確定請求的狀態。其原型如下：

int aio_error( struct aiocb *aiocbp );

這個函數可以返回以下內容：

• EINPROGRESS
  ，說明請求尚未完成
• ECANCELLED
  ，說明請求被應用程式取消了
• -1
  ，說明發生了錯誤，具體錯誤原因可以查閱 errno

aio_return

非同步 I/O 和標準塊 I/O 之間的另外一個區別是我們不能立即訪問這個函數的返回狀態，因為我們並沒有阻塞在 read
調用上。在標準的 read
調用中，返回狀態是在該函數返回時提供的。但是在非同步 I/O 中，我們要使用 aio_return
函數。這個函數的原型如下：

ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );

只有在 aio_error
調用確定請求已經完成（可能成功，也可能發生了錯誤）之後，才會調用這個函數。aio_return
的傳回值就等價於同步情況中 read
或 write
系統調用的傳回值（所傳輸的位元組數，如果發生錯誤，傳回值就為 -1
）。

aio_write

aio_write
函數用來請求一個非同步寫操作。其函數原型如下：

int aio_write( struct aiocb *aiocbp );

aio_write
函數會立即返回，說明請求已經進行排隊（成功時傳回值為 0
，失敗時傳回值為 -1
，並相應地設定 errno
）。

這與 read
系統調用類似，但是有一點不一樣的行為需要注意。回想一下對於 read
調用來說，要使用的位移量是非常重要的。然而，對於 write
來說，這個位移量只有在沒有設定 O_APPEND
選項的檔案上下文中才會非常重要。如果設定了 O_APPEND
，那麼這個位移量就會被忽略，資料都會被附加到檔案的末尾。否則，aio_offset
域就確定了資料在要寫入的檔案中的位移量。

aio_suspend

我們可以使用 aio_suspend
函數來掛起（或阻塞）調用進程，直到非同步請求完成為止，此時會產生一個訊號，或者發生其他逾時操作。調用者提供了一個 aiocb
引用列表，其中任何一個完成都會導致 aio_suspend
返回。 aio_suspend
的函數原型如下：

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

aio_suspend
的使用非常簡單。我們要提供一個 aiocb
引用列表。如果任何一個完成了，這個調用就會返回 0
。否則就會返回 -1
，說明發生了錯誤。請參看清單 3。

清單 3. 使用 aio_suspend 函數阻塞非同步 I/O

  struct aioct *cblist[MAX_LIST]/* Clear the list. */bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) );/* Load one or more references into the list */cblist[0] = &my_aiocb;ret = aio_read( &my_aiocb );ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL );

注意，aio_suspend
的第二個參數是 cblist
中元素的個數，而不是 aiocb
引用的個數。cblist
中任何 NULL
元素都會被 aio_suspend
忽略。

如果為 aio_suspend
提供了逾時，而逾時情況的確發生了，那麼它就會返回 -1
，errno
中會包含 EAGAIN
。

aio_cancel

aio_cancel
函數允許我們取消對某個檔案描述符執行的一個或所有 I/O 請求。其原型如下：

int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );

要取消一個請求，我們需要提供檔案描述符和 aiocb
引用。如果這個請求被成功取消了，那麼這個函數就會返回 AIO_CANCELED
。如果請求完成了，這個函數就會返回 AIO_NOTCANCELED
。

要取消對某個給定檔案描述符的所有請求，我們需要提供這個檔案的描述符，以及一個對 aiocbp
的 NULL
引用。如果所有的請求都取消了，這個函數就會返回 AIO_CANCELED
；如果至少有一個請求沒有被取消，那麼這個函數就會返回 AIO_NOT_CANCELED
；如果沒有一個請求可以被取消，那麼這個函數就會返回 AIO_ALLDONE
。我們然後可以使用 aio_error
來驗證每個 AIO 請求。如果這個請求已經被取消了，那麼 aio_error
就會返回 -1
，並且 errno
會被設定為 ECANCELED
。

lio_listio

最後，AIO 提供了一種方法使用 lio_listio
API 函數同時發起多個傳輸。這個函數非常重要，因為這意味著我們可以在一個系統調用（一次核心環境切換）中啟動大量的 I/O 操作。從效能的角度來看，這非常重要，因此值得我們花點時間探索一下。lio_listio
API 函數的原型如下：

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

mode
參數可以是 LIO_WAIT
或 LIO_NOWAIT
。LIO_WAIT
會阻塞這個調用，直到所有的 I/O 都完成為止。在操作進行排隊之後，LIO_NOWAIT
就會返回。list
是一個 aiocb
引用的列表，最大元素的個數是由 nent
定義的。注意 list
的元素可以為 NULL
，lio_listio
會將其忽略。sigevent
引用定義了在所有 I/O 操作都完成時產生訊號的方法。

對於 lio_listio
的請求與傳統的 read
或 write
請求在必須指定的操作方面稍有不同，如清單 4 所示。

清單 4. 使用 lio_listio 函數發起一系列請求

  struct aiocb aiocb1, aiocb2;struct aiocb *list[MAX_LIST];.../* Prepare the first aiocb */aiocb1.aio_fildes = fd;aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 );aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;aiocb1.aio_offset = next_offset;aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ;...bzero( (char *)list, sizeof(list) );list[0] = &aiocb1;list[1] = &aiocb2;ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL );

對於讀操作來說，aio_lio_opcode
域的值為 LIO_READ
。對於寫操作來說，我們要使用 LIO_WRITE
，不過 LIO_NOP
對於不執行操作來說也是有效。

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AIO 通知

現在我們已經看過了可用的 AIO 函數，本節將深入介紹對非同步通知可以使用的方法。我們將通過訊號和函數回調來探索非同步函數的通知機制。

使用訊號進行非同步通知

使用訊號進行處理序間通訊（IPC）是 UNIX 中的一種傳統機制，AIO 也可以支援這種機制。在這種範例中，應用程式需要定義訊號處理常式，在產生指定的訊號時就會調用這個處理常式。應用程式然後配置一個非同步請求將在請求完成時產生一個訊號。作為訊號內容相關的一部分，特定的 aiocb
請求被提供用來記錄多個可能會出現的請求。清單 5 展示了這種通知方法。

清單 5. 使用訊號作為 AIO 請求的通知

  void setup_io( ... ){  int fd;  struct sigaction sig_act;  struct aiocb my_aiocb;  ...  /* Set up the signal handler */  sigemptyset(&sig_act.sa_mask);  sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;  sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;  /* Set up the AIO request */  bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  my_aiocb.aio_fildes = fd;  my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);  my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;  my_aiocb.aio_offset = next_offset;  /* Link the AIO request with the Signal Handler */  my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;  my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;  my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;  /* Map the Signal to the Signal Handler */  ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );  ...  ret = aio_read( &my_aiocb );}void aio_completion_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context ){  struct aiocb *req;  /* Ensure it's our signal */  if (info->si_signo == SIGIO) {    req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr;    /* Did the request complete? */    if (aio_error( req ) == 0) {      /* Request completed successfully, get the return status */      ret = aio_return( req );    }  }  return;}

在清單 5 中，我們在 aio_completion_handler
函數中設定訊號處理常式來捕獲 SIGIO
訊號。然後初始化 aio_sigevent
結構產生 SIGIO
訊號來進行通知（這是通過 sigev_notify
中的 SIGEV_SIGNAL
定義來指定的）。當讀操作完成時，訊號處理常式就從該訊號的 si_value
結構中提取出 aiocb
，並檢查錯誤狀態和返回狀態來確定 I/O 操作是否完成。

對於效能來說，這個處理常式也是通過請求下一次非同步傳輸而繼續進行 I/O 操作的理想地方。採用這種方式，在一次資料轉送完成時，我們就可以立即開始下一次資料轉送操作。

使用回呼函數進行非同步通知

另外一種通知方式是系統回呼函數。這種機制不會為通知而產生一個訊號，而是會調用使用者空間的一個函數來實現通知功能。我們在 sigevent
結構中設定了對 aiocb
的引用，從而可以惟一標識正在完成的特定請求。請參看清單 6。

清單 6. 對 AIO 請求使用線程回調通知

  void setup_io( ... ){  int fd;  struct aiocb my_aiocb;  ...  /* Set up the AIO request */  bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) );  my_aiocb.aio_fildes = fd;  my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);  my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;  my_aiocb.aio_offset = next_offset;  /* Link the AIO request with a thread callback */  my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;  my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;  my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;  my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;  ...  ret = aio_read( &my_aiocb );}void aio_completion_handler( sigval_t sigval ){  struct aiocb *req;  req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;  /* Did the request complete? */  if (aio_error( req ) == 0) {    /* Request completed successfully, get the return status */    ret = aio_return( req );  }  return;}

在清單 6 中，在建立自己的 aiocb
請求之後，我們使用 SIGEV_THREAD
請求了一個線程回呼函數來作為通知方法。然後我們將指定特定的通知處理常式，並將要傳輸的上下文載入到處理常式中（在這種情況中，是個對 aiocb
請求自己的引用）。在這個處理常式中，我們簡單地引用到達的 sigval
指標並使用 AIO 函數來驗證請求已經完成。

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對 AIO 進行系統最佳化

proc 檔案系統包含了兩個虛擬檔案，它們可以用來對非同步 I/O 的效能進行最佳化：

• /proc/sys/fs/aio-nr 檔案提供了系統範圍非同步 I/O 請求現在的數目。
• /proc/sys/fs/aio-max-nr 檔案是所允許的並發請求的最大個數。最大個數通常是 64KB，這對於大部分應用程式來說都已經足夠了。

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結束語

使用非同步 I/O 可以協助我們構建 I/O 速度更快、效率更高的應用程式。如果我們的應用程式可以對處理和 I/O 操作重疊進行，那麼 AIO 就可以協助我們構建可以更高效地使用可用 CPU 資源的應用程式。儘管這種 I/O 模型與在大部分 Linux 應用程式中使用的傳統阻塞模式都不同，但是非同步通知模型在概念上來說卻非常簡單，可以簡化我們的設計。