使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能 学习何时以及如何使用 POSIX AIO API

简介： 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

或

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。

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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。

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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。

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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

或

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

的

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

或

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

或

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。

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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。

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