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使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能

2009-10-30 15:08 330 查看

使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能





级别: 中级

M. Tim Jones
(mtj@mtjones.com
), 顾问工程师, Emulex

2006 年 9 月 28 日

Linux®
中最常用的输入/输出(I/O)模型是同步
I/O。在这个模型中,当请求发出之后,应用程序就会阻塞,直到请求满足为止。这是很好的一种解决方案,因为调用应用程序在等待 I/O
请求完成时不需要使用任何中央处理单元(CPU)。但是在某些情况中,I/O 请求可能需要与其他进程产生交叠。可移植操作系统接口(POSIX)异步
I/O(AIO)应用程序接口(API)就提供了这种功能。在本文中,我们将对这个 API 概要进行介绍,并来了解一下如何使用它。

AIO 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。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



I/O 密集型与 CPU 密集型进程的比较

I/O 密集型进程所执行的 I/O 操作比执行的处理操作更多。CPU 密集型的进程所执行的处理操作比 I/O 操作更多。Linux
2.6 的调度器实际上更加偏爱 I/O 密集型的进程,因为它们通常会发起一个 I/O
操作,然后进行阻塞,这就意味着其他工作都可以在两者之间有效地交错进行。

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


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。

下一节将深入介绍这种模型,探索这种模型使用的 API,然后展示几个命令。







异步 I/O 的动机

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

本节将探索 Linux 的异步 I/O 模型,从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这种技术。

在传统的 I/O 模型中,有一个使用惟一句柄标识的 I/O 通道。在 UNIX® 中,这些句柄是文件描述符(这对等同于文件、管道、套接字等等)。在阻塞 I/O 中,我们发起了一次传输操作,当传输操作完成或发生错误时,系统调用就会返回。



Linux 上的 AIO

AIO 在 2.5 版本的内核中首次出现,现在已经是 2.6 版本的产品内核的一个标准特性了。

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。







AIO API

AIO 接口的 API 非常简单,但是它为数据传输提供了必需的功能,并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数,本节稍后会更详细进行介绍。

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
每个 API 函数都使用
aiocb

结构开始或检查。这个结构有很多元素,但是清单 1 仅仅给出了需要(或可以)使用的元素。


清单 1. aiocb 结构中相关的域


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

结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的,以及我们应该如何使用它们。

aio_read

aio_read

函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。
aio_read

函数的原型如下:

int aio_read
( struct aiocb *aiocbp );

aio_read

函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功,返回值就为 0;如果出现错误,返回值就为 -1,并设置
errno

的值。

要执行读操作,应用程序必须对
aiocb

结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充
aiocb

请求结构,并使用
aio_read

来执行异步读请求(现在暂时忽略通知)操作。它还展示了
aio_error

的用法,不过我们将稍后再作解释。


清单 2. 使用 aio_read 进行异步读操作的例子


#include <aio.h>

...

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 */

}

在清单 2 中,在打开要从中读取数据的文件之后,我们就清空了
aiocb

结构,然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到
aio_buf

中。然后,我们将
aio_nbytes

初始化成缓冲区的大小。并将
aio_offset

设置成 0(该文件中的第一个偏移量)。我们将
aio_fildes

设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后,就调用
aio_read

请求进行读操作。我们然后可以调用
aio_error

来确定
aio_read

的状态。只要状态是
EINPROGRESS

,就一直忙碌等待,直到状态发生变化为止。现在,请求可能成功,也可能失败。



使用 AIO 接口来编译程序

我们可以在
aio.h

头文件中找到函数原型和其他需要的符号。在编译使用这种接口的程序时,我们必须使用 POSIX 实时扩展库(
librt

)。

注意使用这个 API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了
aio_read

的一些异步特性之外,另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的
read

调用中,偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说,偏移量都需要进行更新,这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的,因为我们可以同时执行很多读请求,因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。

aio_error

aio_error

函数被用来确定请求的状态。其原型如下:

int aio_error
( struct aiocb *aiocbp );

这个函数可以返回以下内容:

EINPROGRESS

,说明请求尚未完成

ECANCELLED

,说明请求被应用程序取消了

-1

,说明发生了错误,具体错误原因可以查阅
errno


aio_return

异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态,因为我们并没有阻塞在
read

调用上。在标准的
read

调用中,返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中,我们要使用
aio_return

函数。这个函数的原型如下:

ssize_t aio_return
( struct aiocb *aiocbp );

只有在
aio_error

调用确定请求已经完成(可能成功,也可能发生了错误)之后,才会调用这个函数。
aio_return

的返回值就等价于同步情况中
read

write

系统调用的返回值(所传输的字节数,如果发生错误,返回值就为
-1

)。

aio_write

aio_write

函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下:

int aio_write
( struct aiocb *aiocbp );

aio_write

函数会立即返回,说明请求已经进行排队(成功时返回值为
0

,失败时返回值为
-1

,并相应地设置
errno

)。

这与
read

系统调用类似,但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于
read

调用来说,要使用的偏移量是非常重要的。然而,对于
write

来说,这个偏移量只有在没有设置
O_APPEND

选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了
O_APPEND

,那么这个偏移量就会被忽略,数据都会被附加到文件的末尾。否则,
aio_offset

域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。

aio_suspend

我们可以使用
aio_suspend

函数来挂起(或阻塞)调用进程,直到异步请求完成为止,此时会产生一个信号,或者发生其他超时操作。调用者提供了一个
aiocb

引用列表,其中任何一个完成都会导致
aio_suspend

返回。
aio_suspend

的函数原型如下:

int aio_suspend
( const struct aiocb *const cblist[],

int n, const struct timespec *timeout );

aio_suspend

的使用非常简单。我们要提供一个
aiocb

引用列表。如果任何一个完成了,这个调用就会返回
0

。否则就会返回
-1

,说明发生了错误。请参看清单 3。


清单 3. 使用 aio_suspend 函数阻塞异步 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

的第二个参数是
cblist

中元素的个数,而不是
aiocb

引用的个数。
cblist

中任何
NULL

元素都会被
aio_suspend

忽略。

如果为
aio_suspend

提供了超时,而超时情况的确发生了,那么它就会返回
-1

errno

中会包含
EAGAIN



aio_cancel

aio_cancel

函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下:

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

要取消一个请求,我们需要提供文件描述符和
aiocb

引用。如果这个请求被成功取消了,那么这个函数就会返回
AIO_CANCELED

。如果请求完成了,这个函数就会返回
AIO_NOTCANCELED



要取消对某个给定文件描述符的所有请求,我们需要提供这个文件的描述符,以及一个对
aiocbp

NULL

引用。如果所有的请求都取消了,这个函数就会返回
AIO_CANCELED

;如果至少有一个请求没有被取消,那么这个函数就会返回
AIO_NOT_CANCELED

;如果没有一个请求可以被取消,那么这个函数就会返回
AIO_ALLDONE

。我们然后可以使用
aio_error

来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了,那么
aio_error

就会返回
-1

,并且
errno

会被设置为
ECANCELED



lio_listio

最后,AIO 提供了一种方法使用
lio_listio

API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要,因为这意味着我们可以在一个系统调用(一次内核上下文切换)中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看,这非常重要,因此值得我们花点时间探索一下。
lio_listio

API 函数的原型如下:

int lio_listio
( int mode, struct aiocb *list[], int nent,

struct sigevent *sig );

mode

参数可以是
LIO_WAIT

LIO_NOWAIT

LIO_WAIT

会阻塞这个调用,直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后,
LIO_NOWAIT

就会返回。
list

是一个
aiocb

引用的列表,最大元素的个数是由
nent

定义的。注意
list

的元素可以为
NULL

lio_listio

会将其忽略。
sigevent

引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。

对于
lio_listio

的请求与传统的
read

write

请求在必须指定的操作方面稍有不同,如清单 4 所示。


清单 4. 使用 lio_listio 函数发起一系列请求


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 );

对于读操作来说,
aio_lio_opcode

域的值为
LIO_READ

。对于写操作来说,我们要使用
LIO_WRITE

,不过
LIO_NOP

对于不执行操作来说也是有效的。







AIO 通知

现在我们已经看过了可用的 AIO 函数,本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。

使用信号进行异步通知

使用信号进行进程间通信(IPC)是 UNIX 中的一种传统机制,AIO
也可以支持这种机制。在这种范例中,应用程序需要定义信号处理程序,在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成
时产生一个信号。作为信号上下文的一部分,特定的
aiocb

请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。


清单 5. 使用信号作为 AIO 请求的通知


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;

}

在清单 5 中,我们在
aio_completion_handler

函数中设置信号处理程序来捕获
SIGIO

信号。然后初始化
aio_sigevent

结构产生
SIGIO

信号来进行通知(这是通过
sigev_notify

中的
SIGEV_SIGNAL

定义来指定的)。当读操作完成时,信号处理程序就从该信号的
si_value

结构中提取出
aiocb

,并检查错误状态和返回状态来确定 I/O 操作是否完成。

对于性能来说,这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式,在一次数据传输完成时,我们就可以立即开始下一次数据传输操作。

使用回调函数进行异步通知

另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号,而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在
sigevent

结构中设置了对
aiocb

的引用,从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。


清单 6. 对 AIO 请求使用线程回调通知


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;

}

在清单 6 中,在创建自己的
aiocb

请求之后,我们使用
SIGEV_THREAD

请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序,并将要传输的上下文加载到处理程序中(在这种情况中,是个对
aiocb

请求自己的引用)。在这个处理程序中,我们简单地引用到达的
sigval

指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。





对 AIO 进行系统优化

proc 文件系统包含了两个虚拟文件,它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化:

/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。

/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB,这对于大部分应用程序来说都已经足够了。









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结束语

使用异步 I/O 可以帮助我们构建 I/O 速度更快、效率更高的应用程序。如果我们的应用程序可以对处理和 I/O 操作重叠进行,那么 AIO
就可以帮助我们构建可以更高效地使用可用 CPU 资源的应用程序。尽管这种 I/O 模型与在大部分 Linux
应用程序中使用的传统阻塞模式都不同,但是异步通知模型在概念上来说却非常简单,可以简化我们的设计。

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