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Linux下异步I/0:O

 Frank__Library 2014-08-11

方法一:使用fcntl来置O_ASYNC位

              这个方法的效果是,当输入缓存中的输入数据就绪时(输入数据可读),内核向用F_SETOWN来绑定的那个进程发送SIGIO信号。此时程序应该用getchar等函数将输入读入。

           1.首先,为SIGIO信号设置一个处理函数,用来读取并处理位于输入缓存中的数据。

                      signal ( SIGIO , void ( * getmyinput ) ( int signum ) );

           2.设置一个用来接受SIGIO信号的进程。用fcntl函数。

                      fcntl ( my_fd , F_SETOWN, getpid() );

           3.得到文件描述符的状态标志集,为该状态标志集添加一个O_ASYNC属性。

                      int  flags = fcntl ( my_fd , F_GETFL);

                      fcntl ( my_fd , F_SETFL , flags | O_ASYNC);


 

第二种方法:使用 aio_read() 方法—— < aio.h>

               air_read是异步非阻塞IO,是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求(aio_read() )会立即返回,说明读请求已经成功发起了。在后台完成读操作的同时时,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。

                类似于处理器三级指令流水线。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.

               与O_ASYNC 方法不同,aio_read()方法更复杂也更灵活,它可以控制每次想要读取的字节数,也可以控制当满足读取要求的字节数来到时,向进程发送的信号。

                通过一个中间变量 struct aiocb 来作为缓存。、

                当进程收到SIGIO信号,或其在aiocb.aio_sigevent.sigev_signo已经设置好的信号时,内核已经将输入读入到了指针 aiocb.aio_buf 所指定的位置中了。


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(from http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/#N10056)

原作者  M. Tim Jones (mtj@mtjones.com), 顾问工程师, Emulex

2006 年 9 月 28 日

Linux? 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,并来了解一下如何使用它。

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
基本 Linux I/O 模型的简单矩阵

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

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
同步阻塞 I/O 模型的典型流程

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(EAGAINEWOULDBLOCK),如图 3 所示。


图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
同步非阻塞 I/O 模型的典型流程

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)
异步阻塞 I/O 模型的典型流程

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
异步非阻塞 I/O 模型的典型流程

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。



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。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。

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