异步IOLinux异步IO之libaio使用介绍-猿码集

1. 什么是异步IO？

在传统的同步IO模型中，应用程序需要等待IO操作的完成，直到数据被读取或写入才能继续执行后续的操作。而异步IO则是一种非阻塞的IO模型，应用程序可以提交IO操作后继续执行其他任务，无需等待IO操作的完成。

2. 异步IO的优势

与同步IO相比，异步IO具有以下几个优势：

2.1 提高系统资源利用率

在同步IO模型中，当一个IO操作执行时，应用程序会阻塞等待数据的读取或写入，这样会导致CPU等待IO操作完成而无法进行其他任务。而异步IO模型可以避免这种情况，提高系统资源的利用率。

2.2 提升程序的响应性能

异步IO模型可以让程序并发执行多个IO操作，当一个IO操作阻塞时，程序可以切换到处理其他IO操作，从而提高程序的响应性能。

2.3 支持更多的连接

异步IO模型可以同时处理更多的连接，因为它不会像同步IO模型那样阻塞等待单个IO操作完成，而是可以继续处理其他连接的IO操作。

3. libaio的概述

libaio是一个异步IO的库，它提供了一组异步IO的函数，方便开发者在Linux系统上使用异步IO模型。下面介绍libaio的一些基本概念和使用方法。

3.1 io_context

在使用libaio进行异步IO操作时，首先需要创建一个io_context，它相当于一个IO操作的上下文，负责管理异步IO操作的执行。


struct io_context;
int io_setup(unsigned nr_events, struct io_context **ctxp);
void io_destroy(struct io_context *ctx);

io_setup用于初始化一个io_context对象，该方法接收一个指向io_context指针的指针，用于保存创建的io_context对象的地址。而io_destroy则用于销毁一个io_context对象。

3.2 io_event

io_event结构体表示一个IO事件，当一个异步IO操作完成时，会产生一个io_event对象，包含了操作的状态和数据信息。


struct io_event {
    __u64           data;    /* 应用程序自定义的数据 */
    __u64           obj;     /* 与异步操作相关的文件描述符 */
    __s64           res;     /* 操作的返回值 */
    __s64           res2;    /* 保留字段 */
};
int io_getevents(struct io_context *ctx_id, long min_nr, long nr, 
                struct io_event *events, struct timespec *timeout);

io_getevents函数用于从io_context对象中获取已完成的IO事件，它接收一个指向io_context对象的指针，最小要获取的事件数，以及期望获取的事件数。该函数会将获取到的IO事件填充到events参数指向的数组中。

3.3 io_prep_pread/io_prep_pwrite

io_prep_pread和io_prep_pwrite是两个辅助函数，用于准备一个异步读取或写入的操作。


struct iocb {
    ... /* 其他成员 */
    union {
        ... /* 其他成员 */
        struct {
            void    *buf;
            size_t   nbytes;
            __u64    offset;
        } aio_rw;
        ... /* 其他成员 */
    } u;
};
void io_prep_pread(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);
void io_prep_pwrite(struct iocb *iocb, int fd, void *buf, size_t count, off_t offset);

这两个函数用于初始化一个io_cb对象，表示一个异步读取或写入操作。其中，fd是文件描述符，buf是数据缓冲区的地址，count是读取或写入的数据大小，offset是读取或写入的偏移量。

4. libaio的使用示例

下面是一个使用libaio进行异步读取的示例：


#include 
#include 
#include 
#include 
#define BUF_SIZE 1024
int main() {
    int fd;
    char buffer[BUF_SIZE];
    struct io_context ctx;
    struct iocb cb;
    struct io_event event;
    
    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return -1;
    }
    
    // 初始化io_context
    if (io_setup(1, &ctx) < 0) {
        perror("io_setup");
        return -1;
    }
    
    // 准备异步读取操作
    io_prep_pread(&cb, fd, buffer, BUF_SIZE, 0);
    
    // 提交异步读取操作
    if (io_submit(ctx, 1, &cb) < 0) {
        perror("io_submit");
        return -1;
    }
    
    // 获取完成的异步IO事件
    if (io_getevents(ctx, 1, 1, &event, NULL) < 0) {
        perror("io_getevents");
        return -1;
    }
    
    // 打印读取的数据
    if (event.res > 0) {
        printf("Read %ld bytes: %s\n", event.res, buffer);
    } else if (event.res < 0) {
        perror("async read");
        return -1;
    }
    
    // 销毁io_context
    io_destroy(ctx);
    
    // 关闭文件
    close(fd);
    
    return 0;
}

上述代码首先打开一个文件，然后初始化io_context，接着准备一个异步读取的操作，并提交给io_context执行。最后，通过io_getevents获取已完成的IO事件，读取数据并打印。最后，销毁io_context并关闭文件。

5. 总结

通过libaio，我们可以在Linux系统上方便地使用异步IO模型。异步IO可以提高系统资源利用率、改善程序的响应性能，并支持更多的连接。libaio提供了一组函数和数据结构，方便开发者进行异步IO操作的管理和处理。在实际应用中，我们可以根据具体的需求和场景使用libaio来提升性能和扩展系统的吞吐能力。

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