【轉】linux非同步io機制

Linux的I/O機制經歷了一下幾個階段的演進：
1. 同步阻塞I/O: 使用者程式進行I/O操作，一直阻塞到I/O操作完成為止。
2. 同步非阻塞I/O: 使用者程式可以通過設定檔案描述符的屬性O_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是並不保證I/O操作成功。
3. 非同步事件阻塞I/O: 使用者程式可以對I/O事件進行阻塞，但是I/O操作並不阻塞。通過select/poll/epoll等函式呼叫來達到此目的。
4. 非同步時間非阻塞I/O: 也叫做非同步I/O(AIO)，使用者程式可以通過向核心發出I/O請求命令，不用等帶I/O事件真正發生，可以繼續做
           另外的事情，等I/O操作完成，核心會通過函式回撥或者訊號機制通知使用者程式。這樣很大程度提高了系統吞吐量。
          
下面就AIO做詳細介紹：
要使用aio的功能，需要include標頭檔案aio.h，在編譯連線的時候需要加入POSIX實時擴充套件庫rt.下面就aio庫的使用做介紹。
1. AIO整個過程所使用的資料存放在一個結構體中，struct aiocb,aio control block.看看標頭檔案中的定義：

/* Asynchronous I/O control block.  */
struct aiocb
{
  int aio_fildes;               /* File desriptor.  */ 需要在哪個檔案描述符上進行I/O
  int aio_lio_opcode;           /* Operation to be performed.  */ 這個是針對批量I/O的情況有效，讀寫操作型別
  int aio_reqprio;              /* Request priority offset.  */ 請求優先順序（If  _POSIX_PRIORITIZED_IO  is defined, and this file supports it, then the
                                       asynchronous operation is submitted at a priority equal to that of the
                                       calling process minus aiocbp->aio_reqprio.）
  volatile void *aio_buf;       /* Location of buffer.  */ 具體內容，資料快取
  size_t aio_nbytes;            /* Length of transfer.  */ 資料快取的長度
  struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.  */ 用於非同步I/O完成後的通知。

 內部實現使用的資料成員。
  /* Internal members.  */
  struct aiocb *__next_prio;
  int __abs_prio;
  int __policy;
  int __error_code;
  __ssize_t __return_value;

#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
  __off_t aio_offset;           /* File offset.  */
  char __pad[sizeof (__off64_t) - sizeof (__off_t)];
#else
  __off64_t aio_offset;         /* File offset.  */ 檔案讀寫偏移
#endif
  char __unused[32];
};

2. int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
非同步讀操作，向核心發出讀的命令，傳入的引數是一個aiocb的結構，比如
struct aiocb myaiocb;
memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));
myaiocb.aio_fildes = fd;
myaiocb.aio_buf = new char[1024];
myaiocb.aio_nbytes = 1024;
if (aio_read(&myaiocb) != 0)
{
  printf("aio_read error:%s\n" , strerror(errno));
  return false;
}

3. int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
非同步寫操作，向核心發出寫的命令，傳入的引數仍然是一個aiocb的結構，當檔案描述符的O_APPEND
標誌位設定後，非同步寫操作總是將資料新增到檔案末尾。如果沒有設定，則新增到aio_offset指定的
地方，比如：
struct aiocb myaiocb;
memset(&aiocb , 0x00 , sizeof(myaiocb));
myaiocb.aio_fildes = fd;
myaiocb.aio_buf = new char[1024];
myaiocb.aio_nbytes = 1024;
myaiocb.aio_offset = 0;
if (aio_write(&myaiocb) != 0)
{
  printf("aio_read error:%s\n" , strerror(errno));
  return false;
}

4. int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);
如果該函式返回0，表示aiocbp指定的非同步I/O操作請求完成。
如果該函式返回EINPROGRESS，表示aiocbp指定的非同步I/O操作請求正在處理中。
如果該函式返回ECANCELED，表示aiocbp指定的非同步I/O操作請求已經取消。
如果該函式返回-1，表示發生錯誤，檢查errno。

5. ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
這個函式的返回值相當於同步I/O中，read/write的返回值。只有在aio_error呼叫後
才能被呼叫。

6. int aio_cancel(int fd, struct aiocb *aiocbp);
取消在檔案描述符fd上的aiocbp所指定的非同步I/O請求。
如果該函式返回AIO_CANCELED，表示操作成功。
如果該函式返回AIO_NOTCANCELED，表示取消操作不成功，使用aio_error檢查一下狀態。
如果返回-1，表示發生錯誤，檢查errno.

7. int lio_listio(int mode, struct aiocb *restrict const list[restrict],
             int nent, struct sigevent *restrict sig);
使用該函式，在很大程度上可以提高系統的效能，因為再一次I/O過程中，OS需要進行
使用者態和核心態的切換，如果我們將更多的I/O操作都放在一次使用者太和核心太的切換中，
減少切換次數，換句話說在核心儘量做更多的事情。這樣可以提高系統的效能。

使用者程式提供一個struct aiocb的陣列，每個元素表示一次AIO的請求操作。需要設定struct aiocb
中的aio_lio_opcode資料成員的值，有LIO_READ，LIO_WRITE和LIO_NOP。
nent表示陣列中元素的個數。最後一個引數是對AIO操作完成後的通知機制的設定。

8. 設定AIO的通知機制，有兩種通知機制：訊號和回撥
(1).訊號機制
 首先我們應該捕獲SIGIO訊號，對其作處理：
 struct sigaction sig_act;
 sigempty(&sig_act.sa_mask);
 sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;
  sig_act.sa_sigaction = aio_handler;
 
  struct aiocb myaiocb;
  bzero( (char *)&myaiocb, sizeof(struct aiocb) );
  myaiocb.aio_fildes = fd;
  myaiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1);
  myaiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
  myaiocb.aio_offset = next_offset;
 
  myaiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
  myaiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;
  myaiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &myaiocb;

  ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL );

 訊號處理函式的實現：
 void aio_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context )
 {
  struct aiocb *req;
 
  if (info->si_signo == SIGIO) {
    req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr;
   
    if (aio_error( req ) == 0) {
      ret = aio_return( req );
    }
  }
  return;
}

(2). 回撥機制
需要設定：
myaiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD
my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_handler;

回撥函式的原型：
typedef void (* FUNC_CALLBACK)(sigval_t sigval);

AIO機制為伺服器端高併發應用程式提供了一種效能優化的手段。加大了系統吞吐量。

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