linux 磁盘io技术3------libaio使用介绍

前一篇文章介绍了一下libaio与block io性能比较：/article/9319028.html。

今天来仔细聊聊libaio的使用。

一、O_DIRECT

研究libaio之前，必须怎明白O_DIRECT标志是干嘛的。

Buffered I/O：

user space buffer----> kernel space buffer---->disk，这就需要用户空间数据拷贝到内核缓冲区，这就浪费了CPU和内存资源了。

DIRECT I/O：

不通过kernel内存缓存，直接将用户空间数据拷贝到磁盘。

那么使用O_DIRECT，则使用DIRECT I/O，这样会减少内存拷贝次数，cpu使用率也会减少。但是这样做就需要由用户层来做内存block对齐，并且其内存大小也必须是block整数倍。如果不这样做，用write是写不进数据的，直接报错。

通过命令dumpe2fs可以查看系统文件系统的block大小。我的系统block是1024。

但是这个地方我做过实验，不需要是block对齐，或block整数倍，只需要512对齐，512整数倍就可以。512是正好一个扇区的大小。这个地方很奇怪，不知道哪位高手能帮忙解惑下，不胜感激。

保证512对齐可以采用如下方法：

方法1：

void * buf = NULL;
posix_memalign(&buf, 512, BUF_SIZE);

方法2：

#include <stdint.h>

#define CHUNK_ALIGNMENT       512    // align to 512-byte boundary
#define CHUNK_ALIGNMENT_MASK  (~(CHUNK_ALIGNMENT - 1))

static inline size_t
align_size (size_t unaligned)
{
return((unaligned + CHUNK_ALIGNMENT - 1 ) &
CHUNK_ALIGNMENT_MASK);
}

static inline void *
align_buf (void *unaligned)
{
return((void *)((intptr_t)(unaligned + CHUNK_ALIGNMENT - 1) &
CHUNK_ALIGNMENT_MASK));
}

static inline bool
buf_aligned (void *ptr)
{
return(((intptr_t)(ptr) & (~CHUNK_ALIGNMENT_MASK)) == 0);
}

<注> 最后说明一下，在使用libaio，是必须将O_DIRECT标识置上的，如果不置，可能会报错，也可能会直接采用同步block读写的方式，其行为不确定。

可以参照说明：http://lse.sourceforge.net/io/aio.html。

二、libaio接口说明

接口文件为/usr/include/libaio.h，可以直接打开看，这里捡些主要的来说明一下。

接口结构体：

struct io_iocb_common {
PADDEDptr(void	*buf, __pad1); 	//buf start ptr
PADDEDul(nbytes, __pad2);	//buf size
long long	offset;		//file offset
long long	__pad3, __pad4;
};

这里面buf和nbytes没啥好说的，buf和buf size，offset是相对于文件的偏移量。但有一点必须强调下，buf、buf size、offset必须都是512的整数倍。否则读或写都会失败的。

typedef enum io_iocb_cmd {
IO_CMD_PREAD = 0,
IO_CMD_PWRITE = 1,

IO_CMD_FSYNC = 2,
IO_CMD_FDSYNC = 3,

IO_CMD_POLL = 5,
IO_CMD_NOOP = 6,
} io_iocb_cmd_t;

struct iocb {
PADDEDptr(void *data, __pad1);	/* Return in the io completion event */
PADDED(unsigned key, __pad2);	/* For use in identifying io requests */

short		aio_lio_opcode;
short		aio_reqprio;
int		aio_fildes;

union {
struct io_iocb_common		c;
struct io_iocb_vector		v;
struct io_iocb_poll		poll;
struct io_iocb_sockaddr	saddr;
} u;
};

data：可以自定义类型，通常在这里定义call back ptr和call back ptr data，在io_getevents返回之后，通过此回调函数，完成读写完成之后的后续处理

aio_fildes：file fd

aio_lio_opcode：io_iocb_cmd下的命令，常用的就是读写。

union联合中，常用的是io_iocb_common。

这个结构是不是很复杂，其实是不用我们挨个赋值的，libaio提供了一些内联函数，来帮我们做这些事情，内联函数在头文件libaio.h中有定义，这里不赘述了。

struct io_event {
PADDEDptr(void *data, __pad1);
PADDEDptr(struct iocb *obj,  __pad2);
PADDEDul(res,  __pad3);
PADDEDul(res2, __pad4);
};

data：没太搞懂，没怎么明白有啥用？

obj: iocb

res：为完成的读、写字节数

res2：读写成功状态，0表示成功

接口函数：

extern int io_setup(int maxevents, io_context_t *ctxp);
extern int io_destroy(io_context_t ctx);
extern int io_submit(io_context_t ctx, long nr, struct iocb *ios[]);
extern int io_cancel(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, struct io_event *evt);
extern int io_getevents(io_context_t ctx_id, long min_nr, long nr, struct io_event *events, struct timespec *timeout);

io_setup：maxevents表示能处理的最大时间数，同时初始化结构io_context_t，调用之前ctxp必须。

io_destroy：和io_setup对应

io_submint：该函数把nr个iocb放到ctx对应的执行队列中之后返回

io_cancel：该函数尝试取消之前通过io_submit传入的iocb。

io_getevents：该函数尝试从完成队列中去的至少min_nr个，至多nr个的消息。我们通过检查io_event的信息可以做我们想做的事情。

简单示例：

<span style="font-size:14px;">#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <libaio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_COUNT 10 * 1024
#define BUF_SIZE  1 * 1024 * 1024

#ifndef O_DIRECT
#define O_DIRECT         040000 /* direct disk access hint */
#endif

int main(int args, void *argv[]){
int fd;
void * buf = NULL;

int pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE);
posix_memalign(&buf, pagesize, BUF_SIZE);

io_context_t ctx;
struct iocb io,*p=&io;
struct io_event e[10];
struct timespec timeout;

memset(&ctx,0,sizeof(ctx));
if(io_setup(10,&ctx)!=0){
printf("io_setup error\n");
return -1;
}

if((fd = open("/home/aio.d", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND | O_DIRECT, 0644))<0) {
perror("open error");
io_destroy(ctx);
return -1;
}

int n = MAX_COUNT;

while(n > 0) {
io_prep_pwrite(&io, fd, buf, BUF_SIZE, 0);

if(io_submit(ctx, 1, &p)!=1) {
io_destroy(ctx);
printf("io_submit error\n");
return -1;
}

int ret = io_getevents(ctx, 1, 10, e, NULL);
if (ret != 1) {
perror("ret != 1");
break;
}
n--;
}

close(fd);
io_destroy(ctx);
return 0;
}
</span>

写到这里，libaio基本知识也都说的差不多了，但是现在有个问题，如果当前进程是基于epoll的，那么是否可以将libaio当成普通fd，加入到epoll当中来，和网络io结合到一起呢，这样对于一些网络服务，是不是特别方便，特别帅呢。答案是ok的。网上有一个epoll和libaio结合的例子供大家参考，作者偷个懒，这里不做单独讨论，例子如下：

http://blog.chinaunix.net/uid-16979052-id-3840266.html