Linux 设备驱动中的异步通知与异步 I/O(2)
2016-07-13 19:37
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Linux 系统中最常用的输入/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
些情况下，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。
Linux 异步 I/O 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 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。
select()函数所提供的功能（异步阻塞 I/O）与 AIO 类似，它对通知事件进行阻塞，而不是对 I/O 调用进行阻塞。
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，通过 aiocb（AIO I/O Control Block）结构体进行区分。这个结构体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。
AIO 系列 API 被 GNU C 库函数所包含，它被 POSIX.1b 所要求，主要包括如下函数。
1．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。
2．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。
3．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，具体错误原因由 errno 记录。
4．aio_return
异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是不能立即访问这个函数的返回状态，因为并没有阻塞在 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）。
下面代码清单给出了用户空间应用程序进行异步读操作的一个例程，它首先打开文件，然后准备 aiocb 结构体，之后调用 aio_read（&my_aiocb）进行提出异步读请求，当 aio_error(&my_aiocb) = = EINPROGRESS 即操作还在进行中时，一直等待，结束后通过 aio_return（&my_aiocb）获得返回值。
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1 #include <aio.h>
2 ...
3 int fd, ret;
4 struct aiocb my_aiocb;
5
6 fd = open("file.txt", O_RDONLY);
7 if (fd < 0)
8 perror("open");
9
10 /* 清零 aiocb 结构体 */
11 bzero((char*) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb));
12
13 /* 为 aiocb 请求分配数据缓冲区 */
14 my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE + 1);
15 if (!my_aiocb.aio_buf)
16 perror("malloc");
17
18 /* 初始化 aiocb 的成员 */
19 my_aiocb.aio_fildes = fd;
20 my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE;
21 my_aiocb.aio_offset = 0;
22
23 ret = aio_read(&my_aiocb);
24 if (ret < 0)
25 perror("aio_read");
26
27 while (aio_error(&my_aiocb) == EINPROGRESS)
28 ;
29
30 if ((ret = aio_return(&my_iocb)) > 0)
31 {
32 /* 获得异步读的返回值 */
33 }
34 else
35 {
36 /* 读失败，分析 errorno */
37 }
用户可以使用 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 );
下面代码清单给出了用户空间异步读操作时使用 aio_suspend()函数的例子。
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1 struct aioct *cblist[MAX_LIST]
2 /* 清零 aioct 结构体链表 */
3 bzero((char *)cblist, sizeof(cblist));
4 /* 将一个或更多的 aiocb 放入 aioct 结构体链表 */
5 cblist[0] = &my_aiocb;
6 ret = aio_read( &my_aiocb );
7 ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL );
aio_cancel()函数允许用户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 );
如果要取消一个请求，用户需提供文件描述符和 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。 如果要取消对某个给定文件描述符的所有请求，用户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。然后，可以使用
aio_error()来验证每个 AIO 请求，如果某请求已经被取消了，那么 aio_error()就会返回−1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。 lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户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。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。如果 list 的元素为 NULL，lio_listio()会将其忽略。
代码清单给出了用户空间异步 I/O 操作时使用 lio_listio()函数的例子。
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1 struct aiocb aiocb1, aiocb2;
2 struct aiocb *list[MAX_LIST];
3 ...
4 /* 准备第一个 aiocb */
5 aiocb1.aio_fildes = fd;
6 aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 );
7 aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE;
8 aiocb1.aio_offset = next_offset;
9 aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ; /*异步读操作*/
10 ... /*准备多个 aiocb */
11 bzero( (char *)list, sizeof(list) );
12
13 /*将 aiocb 填入链表*/
14 list[0] = &aiocb1;
15 list[1] = &aiocb2;
16 ...
17 ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL );/*发起大量 I/O 操作*/
上述代码第 9 行中，因为是进行异步读操作，所以操作码为 LIO_READ，对于写操作来说，应该使用 LIO_WRITE 作为操作码，而 LIO_NOP 意味着空操作。
使用信号作为 AIO 的通知
上面讲述的信号作为异步通知的机制在 AIO 中仍然是适用的，为使用信号，使用 AIO 的应用程序同样需要定义信号处理程序，在指定的信号被产生时会触发调用这个处理程序。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供给信号处理函数用来区分 AIO 请求。
下面代码清单给出了使用信号作为 AIO 异步 I/O 通知机制的例子。
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1 /*设置异步 I/O 请求*/
2 void setup_io(...)
3 {
4 int fd;
5 struct sigaction sig_act;
6 struct aiocb my_aiocb;
7 ...
8 /* 设置信号处理函数 */
9 sigemptyset(&sig_act.sa_mask);
10 sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;
11 sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler;
12
13 /* 设置 AIO 请求 */
14 bzero((char*) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb));
15 my_aiocb.aio_fildes = fd;
16 my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE + 1);
17 my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
18 my_aiocb.aio_offset = next_offset;
19
20 /* 连接 AIO 请求和信号处理函数 */
21 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
22 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;
23 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;
24
25 /* 将信号与信号处理函数绑定 */
26 ret = sigaction(SIGIO, &sig_act, NULL);
27 ...
28 ret = aio_read(&my_aiocb); /*发出异步读请求*/
29 }
30
31 /*信号处理函数*/
32 void aio_completion_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context)
33 {
34 struct aiocb *req;
35
36 /* 确定是我们需要的信号*/
37 if (info->si_signo == SIGIO)
38 {
39 req = (struct aiocb*)info->si_value.sival_ptr; /*获得 aiocb*/
40
41 /* 请求的操作完成了吗? */
42 if (aio_error(req) == 0)
43 {
44 /* 请求的操作完成，获取返回值 */
45 ret = aio_return(req);
46 }
47 }
48 return ;
49 }
特别要注意上述代码的第 39 行通过(struct aiocb*)info->si_value.sival_ptr 获得了信号对应的 aiocb。
使用回调函数作为 AIO 的通知
除了信号之外，应用程序还可提供一个回调（Callback）函数给内核，以便 AIO 的请求完成后内核调用这个函数。
一般来说，下层对上层（如内核对应用）的调用都称为“回调”，而上层对下层（如进行 Linux 系统调用）的调用称为“调用”，如图 9.3 所示。
代码清单给出了使用回调函数作为 AIO 异步 I/O 请求完成的通知机制的例子。
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1 /*设置异步 I/O 请求*/
2 void setup_io(...)
3 {
4 int fd;
5 struct aiocb my_aiocb;
6 ...
7 /* 设置 AIO 请求 */
8 bzero((char*) &my_aiocb, sizeof(struct aiocb));
9 my_aiocb.aio_fildes = fd;
10 my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE + 1);
11 my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
12 my_aiocb.aio_offset = next_offset;
13
14 /* 连接 AIO 请求和线程回调函数 */
15 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
16 my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler;
17 /*设置回调函数*/
18 my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL;
19 my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb;
20 ... ret = aio_read(&my_aiocb); //发起 AIO 请求
21 }
22
23 /* 异步 I/O 完成回调函数 */
24 void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
25 {
26 struct aiocb *req;
27 req = (struct aiocb*)sigval.sival_ptr;
28
29 /* AIO 请求完成? */
30 if (aio_error(req) == 0)
31 {
32 /* 请求完成，获得返回值 */
33 ret = aio_return(req);
34 }
35
36 return ;
37 }
上述程序在创建 aiocb 请求之后，使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。在回调函数中，通过(struct aiocb*)sigval.sival_ptr 可以获得对应的aiocb 指针，使用 AIO 函数可验证请求是否已经完成。
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。
AIO 与设备驱动
在内核中，每个 I/O 请求都对应于一个 kiocb 结构体，其 ki_filp 成员指向对应的file 指针，通过 is_sync_kiocb()可以判断某 kiocb 是否为同步 I/O 请求，如果返回非真，表示为异步 I/O 请求。
块设备和网络设备本身是异步的，只有字符设备必须明确表明应支持 AIO。AIO对于大多数字符设备而言都不是必须的，只有极少数设备需要。比如，对于磁带机，由于 I/O 操作很慢，这时候使用异步 I/O 将改善性能。 字符设备驱动程序中file_operations 包含 3 个与 AIO 相关的成员函数，如下所示：
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count, loff_t offset);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count, loff_t offset);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *iocb, int datasync);
aio_read()和 aio_write()与 file_operations 中的 read()和 write()中的 offset 参数不同，它直接传递值，而后者传递的是指针，这是因为 AIO 从来不需要改变文件的位置。
aio_read()和 aio_write()函数本身不一定完成了读和写操作，它只是发起、初始化读和写操作，下面代码清单给出了驱动程序中aio_read()和aio_write()函数的实现例子。
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1 /*异步读*/
2 static ssize_t xxx_aio_read(struct kiocb *iocb, char *buf, size_t count, loff_t
3 pos)
4 {
5 return xxx_defer_op(0, iocb, buf, count, pos);
6 }
7
8 /*异步写*/
9 static ssize_t xxx_aio_write(struct kiocb *iocb, const char *buf, size_t count,
10 loff_t pos)
11 {
12 return xxx_defer_op(1, iocb, (char*)buf, count, pos);
13 }
14
15 /*初始化异步 I/O*/
16 static int xxx_defer_op(int write, struct kiocb *iocb, char *buf, size_t count,
17 loff_t pos)
18 {
19 struct async_work *async_wk;
20 int result;
21 /* 当可以访问 buffer 时进行复制*/
22 if (write)
23 result = xxx_write(iocb->ki_filp, buf, count, &pos);
24 else
25 result = xxx_read(iocb->ki_filp, buf, count, &pos);
26 /* 如果是同步 IOCB，立即返回状态 */
27 if (is_sync_kiocb(iocb))
28 return result;
29
30 /* 否则，推后几μ s 执行 */
31 async_wk = kmalloc(sizeof(*async_wk), GFP_KERNEL);
32 if (async_wk == NULL)
33 return result;
34 /*调度延迟的工作*/
35 async_wk->iocb = iocb;
36 async_wk->result = result;
37 INIT_WORK(&async_wk->work, xxx_do_deferred_op, async_wk);
38 schedule_delayed_work(&async_wk->work, HZ / 100);
39 return - EIOCBQUEUED; /*控制权返回用户空间*/
40 }
41
42 /*延迟后执行*/
43 static void xxx_do_deferred_op(void *p)
44 {
45 struct async_work *async_wk = (struct async_work*)p;
46 aio_complete(async_wk->iocb, async_wk->result, 0);
47 kfree(async_wk);
48 }
上述代码中最核心的是使用 aync_work（异步工作）结构体将操作延后执行，aync_work 结构体定义如代码清单所示，通过 schedule_delayed_work()函数可以调度其执行。第 46 行对 aio_complete()的调用用于通知内核驱动程序已经完成了操作。
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1 struct async_work
2 {
3 struct kiocb *iocb; //kiocb 结构体指针
4 int result; //执行结果
5 struct work_struct work; //工作结构体
6 };
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