(转)使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能
2013-03-20 22:33
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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
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure1.gif)
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
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
图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure2.gif)
从应用程序的角度来说,
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,
图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure3.gif)
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
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
图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程
(select)
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure4.gif)
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
图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure5.gif)
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,
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。
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
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
每个 API 函数都使用
清单 1. aiocb 结构中相关的域
aio_read
要执行读操作,应用程序必须对
清单 2. 使用 aio_read 进行异步读操作的例子
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
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_error
这个函数可以返回以下内容:
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
只有在
aio_write
这与
aio_suspend
我们可以使用
清单 3. 使用 aio_suspend 函数阻塞异步 I/O
注意,
如果为
aio_cancel
要取消一个请求,我们需要提供文件描述符和
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
lio_listio
最后,AIO 提供了一种方法使用
对于
清单 4. 使用 lio_listio 函数发起一系列请求
对于读操作来说,
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
清单 5. 使用信号作为 AIO 请求的通知
在清单 5 中,我们在
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
清单 6. 对 AIO 请求使用线程回调通知
在清单 6 中,在创建自己的
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。
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。
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
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure1.gif)
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。Linux2.6 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
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure2.gif)
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
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure3.gif)
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)
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure4.gif)
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
![](http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/figure5.gif)
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 |
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 */ } |
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 ); |
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 ); |
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 ); |
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 ); |
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_listioAPI 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_listioAPI 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 ); |
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; } |
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; } |
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。
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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