使用异步I/O大大提高应用程序的性能

转自：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

Linux中最常见的输入输出（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。并来了解如何使用它。

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多个I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍微或在接收到I/O操作完成的通知时，进程就可以检索I/O操作的结果。

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见的一些模型来解释它们与异步I/O之间的区别。图一给出了同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

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。本节将简要对其意一一进行介绍。

同步阻塞I/O

最常用的一个模型是同步组赛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，指导系统调用完成为止（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）。

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其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

注：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。

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。在这个模型中，设备是以非阻塞的方式打开。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EWOULDELOCK）,如图3所示。

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，或者试图试行其他工作。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，配置是非阻塞I/O，然后使用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，而不仅仅为了一个描述符提供通知。对于每个描述符来说，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。

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。

在一个进程张总为了执行多个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；或者更为常见是，在发起其他I/O的同时对已经完成的I/O进行操作。

下节将深入介绍这种模型，探索这个模型使用的API，然后展示几个命令。

异步I/O的动机

从前面的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，有一个使用唯一句柄标识的I/O通道。在UNIX中，这些句柄是文件描述符（这对等同与文件、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唯一的上下文，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。

注：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。

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。

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。

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的展示中对结构进行探索。现在我们展示各个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函数请求对一个有效的文件描述进行异步读操作。这个文件描述可以表示一个文件、管道、套接字。aio_read函数原型如下：

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结构初始化。下面这个简短的例子就展现了如何填充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。

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。

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。

注：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）。

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errn

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，也可能发送了错误）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wirte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。结果任何一个完成了，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。

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 *aiocb);

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_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

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

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。

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。

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。