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Linux入门教程:Linux异步IO的探讨

1. 同步阻塞I/O: 用户进程进行I/O操作,一直阻塞到I/O操作完成为止。

2. 同步非阻塞I/O: 用户程序可以通过设置文件描述符的属性O_NONBLOCK,I/O操作可以立即返回,但是并不保证I/O操作成功。

3. 异步事件阻塞I/O: 用户进程可以对I/O事件进行阻塞,但是I/O操作并不阻塞。通过select/poll/epoll等函数调用来达到此目的。

4. 异步时间非阻塞I/O: 也叫做异步I/O(AIO),用户程序可以通过向内核发出I/O请求命令,不用等带I/O事件真正发生,可以继续做

另外的事情,等I/O操作完成,内核会通过函数回调或者信号机制通知用户进程。这样很大程度提高了系统吞吐量。

下面就AIO做详细介绍:

要使用aio的功能,需要include头文件aio.h,在编译连接的时候需要加入POSIX实时扩展库rt.下面就aio库的使用做介绍。

1. AIO整个过程所使用的数据存放在一个结构体中,struct aiocb,aio control block.看看头文件中的定义:

/* Asynchronous I/O control block. */

struct aiocb

{

int aio_fildes; /* File desriptor. */ 需要在哪个文件描述符上进行I/O

int aio_lio_opcode; /* Operation to be performed. */ 这个是针对批量I/O的情况有效,读写操作类型

int aio_reqprio; /* Request priority offset. */ 请求优先级(If _POSIX_PRIORITIZED_IO is defined, and this file supports it, then the

asynchronous operation is submitted at a priority equal to that of the

calling process minus aiocbp-》aio_reqprio.)

volatile void *aio_buf; /* Location of buffer. */ 具体内容,数据缓存

size_t aio_nbytes; /* Length of transfer. */ 数据缓存的长度

struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value. */ 用于异步I/O完成后的通知。

内部实现使用的数据成员。

/* Internal members. */

struct aiocb *__next_prio;

int __abs_prio;

int __policy;

int __error_code;

__ssize_t __return_value;

#ifndef __USE_FILE_OFFSET64

__off_t aio_offset; /* File offset. */

char __pad[sizeof (__off64_t) – sizeof (__off_t)];

#else

__off64_t aio_offset; /* File offset. */ 文件读写偏移

#endif

char __unused[32];

};

2. int aio_read(struct aiocb *aiocbp);

异步读操作,向内核发出读的命令,传入的参数是一个aiocb的结构,比如

struct aiocb myaiocb;

memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));

myaiocb.aio_fildes = fd;

myaiocb.aio_buf = new char[1024];

myaiocb.aio_nbytes = 1024;

if (aio_read(&myaiocb) != 0)

{

printf(“aio_read error:%s\n” , strerror(errno));

return false;

}

3. int aio_write(struct aiocb *aiocbp);

异步写操作,向内核发出写的命令,传入的参数仍然是一个aiocb的结构,当文件描述符的O_APPEND

标志位设置后,异步写操作总是将数据添加到文件末尾。如果没有设置,则添加到aio_offset指定的

地方,比如:

struct aiocb myaiocb;

memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));

myaiocb.aio_fildes = fd;

myaiocb.aio_buf = new char[1024];

myaiocb.aio_nbytes = 1024;

myaiocb.aio_offset = 0;

if (aio_write(&myaiocb) != 0)

{

printf(“aio_read error:%s\n” , strerror(errno));

return false;

}


4. int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);


如果该函数返回0,表示aiocbp指定的异步I/O操作请求完成。


如果该函数返回EINPROGRESS,表示aiocbp指定的异步I/O操作请求正在处理中。


如果该函数返回ECANCELED,表示aiocbp指定的异步I/O操作请求已经取消。


如果该函数返回-1,表示发生错误,检查errno。


5. ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);


这个函数的返回值相当于同步I/O中,read/write的返回值。只有在aio_error调用后


才能被调用。


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


取消在文件描述符fd上的aiocbp所指定的异步I/O请求。


如果该函数返回AIO_CANCELED,表示操作成功。


如果该函数返回AIO_NOTCANCELED,表示取消操作不成功,使用aio_error检查一下状态。


如果返回-1,表示发生错误,检查errno.


7. int lio_listio(int mode, struct aiocb *restrict const list[restrict],


int nent, struct sigevent *restrict sig);


使用该函数,在很大程度上可以提高系统的性能,因为再一次I/O过程中,OS需要进行


用户态和内核态的切换,如果我们将更多的I/O操作都放在一次用户太和内核太的切换中,


减少切换次数,换句话说在内核尽量做更多的事情。这样可以提高系统的性能。


用户程序提供一个struct aiocb的数组,每个元素表示一次AIO的请求操作。需要设置struct aiocb


中的aio_lio_opcode数据成员的值,有LIO_READ,LIO_WRITE和LIO_NOP。


nent表示数组中元素的个数。最后一个参数是对AIO操作完成后的通知机制的设置。


8. 设置AIO的通知机制,有两种通知机制:信号和回调


(1)。信号机制


首先我们应该捕获SIGIO信号,对其作处理:


struct sigaction sig_act;


sigempty(&sig_act.sa_mask);


sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;


sig_act.sa_sigaction = aio_handler;


struct aiocb myaiocb;


bzero( (char *)&myaiocb, sizeof(struct aiocb) );


myaiocb.aio_fildes = fd;


myaiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);


myaiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;


myaiocb.aio_offset = next_offset;


myaiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;


myaiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;


myaiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &myaiocb;


ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );


信号处理函数的实现:


void aio_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context )


{


struct aiocb *req;


if (info-》si_signo == SIGIO) {


req = (struct aiocb *)info-》si_value.sival_ptr;


if (aio_error( req ) == 0) {


ret = aio_return( req );


}


}


return;


}


(2)。 回调机制


需要设置:


myaiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD


my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_handler;


回调函数的原型:


typedef void (* FUNC_CALLBACK)(sigval_t sigval);


AIO机制为服务器端高并发应用程序提供了一种性能优化的手段。加大了系统吞吐量。

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