第 13 章 IO操作模式

第13章I/O操作模式内容提要

/O操作模式概述

POSIX异步I/OLinux本地异步I/O异步I/O信号驱动I/O多路复用高性能I/O事件驱动13.1I/O操作模式I/O操作模式概述

在Linux系统中，文件作为一个泛化的概念，广泛存在于系统。虽然为文件定义了标准的I/O操作集，但具体实现取决于文件，不同类型的文件具有不同的行为特征。，它们实现的操作集也可能有所不同，如，具有异步特性的网络套接字，慢速的磁盘设备等。当进程需要同时处理多个文件I/O时，基于阻塞的处理方式具有一定的局限性，为此，内核提供了多种非阻塞的处理方法。阻塞与非阻塞

从用户的角度，对于向内核发起的I/O请求，发起者是否需要等待请求的完成，可将I/O模式分为阻塞与非阻塞。若发起者等待，直至I/O请求完成，则称为I/O阻塞模式；若无论I/O请求是否完成，发起者立即返回，则称为I/O非阻塞模式。同步与异步

从内核的角度，对于发起的I/O请求，内核是否需要发起者等待请求的完成，可将I/O模式分为同步I/O模式和异步I/O模式。若内核需发起者等待，直至I/O请求完成，则称为I/O同步模式。若内核无须发起者等待，I/O请求完成时，内核以某种方式通知发起者，期间发起者可继续执行后续操作，则称为I/O异步模式。异步I/O模式

对于需在一个进程中同时监听多个文件的I/O状态，内核提供了多种异步I/O处理模式，它们通常采用非阻塞模式。这些异步I/O方法包括。POSIX异步I/O本地异步I/O异步I/O信号驱动I/O多路复用高性能I/O事件驱动应用编程接口分类接口函数功能描述POSIX异步I/Oaio_read发起异步读请求aio_write发起异步写请求lio_listio提交多个异步I/O请求aio_cancel试图取消异步I/O请求aio_return返回已完成的I/O状态aio_error获得异步I/O错误信息Linux本地异步I/Oio_setup创建异步I/O环境io_submit提交异步I/O请求io_getevents获取已完成异步I/O请求io_cancel取消一个未完成的异步IO操作io_destro注销异步I/O环境I/O多路复用select同时监听多个文件的I/O状态poll同时监听多个文件的I/O状态高性能I/O事件驱动epoll_create创建epoll环境epoll_ctl设置监听对象epoll_wait等待epoll实例上产生的I/O就绪事件13.2POSIX异步I/OPOSIX异步I/O概述POSIX为程序员提供了一组异步I/O编程接口，允许向内核发起一个或多个异步I/O请求，发起者无须等待I/O操作完成，继续执行后续操作，当异步I/O操作完成，内核以某种方式通知发起者，例如，发送信号或启动线程等。Linux异步I/O的实现

POSIX异步I/O在Linux系统中以glibc函数库方式实现，由于早期的内核不支持异步I/O，glibc利用线程处理异步I/O请求；自内核2.6起引入一组本地异步I/O系统调用接口，glibc对原异步I/O处理进行了重构，从根本上提高了异步I/O性能。值得注意的是，POSIX异步I/O仅适用于磁盘文件系统。发起异步读/写请求1.aio_read/aio_write函数头文件

#include<aio.h>函数原型

int

aio_read(struct

aiocb*aiocbp)

int

aio_write(struct

aiocb*aiocbp)功能 发起异步读/写请求。参数

aiocbp:I/O请求。返回值 成功返回0，失败返回-1。发起异步读/写请求(续)(1)异步I/O请求struct

aiocb{

int

aio_fildes; //文件描述符

volatilevoid*aio_buf;//缓冲区地址

size_t

aio_nbytes; //读/写数据的字节数

off_t

aio_offset; //文件偏移量

int

aio_reqprio; //请求优先级

struct

sigevent

aio_sigevent;//通知方式

int

aio_lio_opcode; //仅适用于lio_listio函数};(2)通知方式struct

sigevent{

int

sigev_notify;//通知方法

int

sigev_signo;//信号编号

unionsigval

sigev_value;//传递的数据

void(*sigev_notify_function)(unionsigval);//线程函数

void*sigev_notify_attributes;//线程属性

pid_t

sigev_notify_thread_id;//线程ID};一次提交多个异步I/O请求2.lio_listio函数头文件

#include<aio.h>函数原型

int

lio_listio(int

mode,struct

aiocb*constaiocb_list[],int

nitems,struct

sigevent*sevp);功能 一次提交多个异步I/O请求。参数

mode:提交模式。

aiocb_list:请求数组。

nitems:请求数量。

sevp:通知方式。返回值 所有I/O成功提交返回0，失败返回-1。取消已提交的异步I/O请求3.aio_cancel函数头文件

#include<aio.h>函数原型

int

aio_cancel(int

fd,struct

aiocb*aiocbp);功能 取消已提交的异步I/O请求。参数

fd:文件描述符。

aiocbp:异步I/O请求。返回值 若返回AIO_CANCELED，请求全部被取消。获取异步I/O的返回值4.aio_return函数头文件

#include<aio.h>函数原型

ssize_t

aio_return(struct

aiocb*aiocbp);功能 获取异步I/O的返回值。参数

aiocbp:异步I/O请求。返回值

I/O请求完成，返回异步处理的字节数。

I/O请求失败，返回-1。获取异步I/O请求的当前状态5.aio_error函数头文件

#include<aio.h>函数原型

int

aio_error(const

struct

aiocb*aiocbp);功能 获取异步I/O请求的当前状态。参数

aiocbp:异步I/O请求。返回值 若返回EINPROGRESS，表示正在处理。 若返回ECANCELED，表示异步操作被取消。 如返回0，表示异步操作已完成。 若返回值小于零，表示发生错误。13.3Linux本地异步I/O本地异步I/O概述

为了提高磁盘I/O请求的处理效率，Linux自内核2.6起,引入一组非标准化的本地异步I/O接口。该组接口是glibc构造POSIX异步I/O的基础。它由5个系统调用组成，glibc未对它们进行封装，但可借助syscall函数实现对它们的访问。创建/注销异步I/O上下文头文件

#include<linux/aio_abi.h>函数原型

io_setup(unsigned

nr_events,aio_context_t*ctx_idp);

int

io_destroy(aio_context_t

ctx_id);功能 创建/注销异步I/O上下文。参数

nr_events:容纳异步I/O请求的最大数量。

ctx_idp:异步I/O上下文。返回值 成功返回0，失败返回非0。提交异步I/O请求头文件

#include<linux/aio_abi.h>函数原型

longio_submit(aio_context_t

ctx_id,long

nr,struct

iocb**iocbpp)功能 提交异步I/O请求，参数

ctx_id:异步I/O上下文，

nr:异步I/O请求数量，

iocbpp:异步I/O请求数组，返回值 成功返回提交的请求数，失败返回非0，提交异步I/O请求(续)struct

iocb{__u64aio_data;//自定义参数

__u16aio_lio_opcode;//操作类型,IO_CMD_PWRITE,IO_CMD_PREAD__s16aio_reqprio;//请求的优先级

__u32aio_fildes;//文件描述符

__u64aio_buf;//数据缓存区

__u64aio_nbytes;//请求字节数

__s64aio_offset;//偏移量

...};取消已提交的异步IO请求头文件

#include<linux/aio_abi.h>函数原型

int

io_cancel(aio_context_t

ctx_id,struct

iocb*iocb,struct

io_event*result);io_event*result)功能 取消已提交的异步IO请求。参数

ctx_id:异步I/O上下文。

iocb:异步I/O请求。

result:返回消息。返回值 成功返回0，失败返回非0。获取已完成的异步I/O事件头文件

#include<linux/aio_abi.h>函数原型

longio_getevents(aio_context_t

ctx_id,longmin_nr,longnr,struct

io_event*events,struct

timespec*timeout)功能 获取已完成的异步I/O事件。参数

ctx_id:异步I/O上下文。

min_nr:请求完成的最小数量。

nr:请求完成的最大数量。

events:完成的I/O事件。

timeout:超时时间。返回值 成功返回事件数量，失败返回值在0至min_nr之间。获取已完成的异步I/O事件(续)struct

io_event{__u64data;//对应iocb的aio_data

__u64obj;//产生event的iocb__s64res;//完成的字节数

__s64res2;//返回状态};13.4异步I/O信号驱动异步I/O信号驱动概述

异步

I/O信号驱动是一种文件I/O状态改变时的信号通知机制，默认向目标进程发送SIGIO信号。

对于I/O信号驱动的文件，通常设置为非阻塞模式，信号属于边缘触发事件。

值得注意的是，并非所有文件都支持异步I/O信号。异步I/O信号的操作流程异步处理方式1.为文件定义I/O信号2.将文件设置为异步非阻塞模式3.设置信号的发送目标4.编写信号的处理函数异步I/O信号的操作流程(续)

同步处理方式1和2与异步处理方式相同。3.阻塞I/O信号4.以同步方式处理到达的I/O信号实时信号队列的溢出处理

当众多文件瞬间状态发生改变时，内核会产生大量I/O信号，即使使用了实时信号，也可能导致信号队列溢出。当I/O信号溢出时，新产生的I/O信号恢复为SIGIO，在处理SIGIO信号时，可使用sigwaitipfo函数尽快处理等待的信号，继而使用select/poll函数处理剩余的I/O事件。13.5I/O多路复用内容提要1I/O多路复用概述基于select的I/O多路复用基于poll的I/O多路复用1I/O多路复用概述I/O多路复用是一种同时监听多个文件I/O状态的技术，当有文件I/O状态发生改变时，以I/O事件方式通知监听者。事件的产生采用水平触发模式，只要I/O状态可用，就一直产生I/O事件。

Linux继承了Unix的select和poll两种I/O多路复用接口。基于select的I/O多路复用

处于历史原因select监听的文件受1024数量的限制，每次监听前都需将观察文件信息从用户空间拷贝至内核空间，监听时需扫描整个文件列表，以确定产生就绪I/O事件的文件，无疑增加了系统开销。select函数头文件

#include<sys/select.h> #include<sys/time.h>函数原型

int

select(int

nfds,fd_set*readfds,fd_set*writefds,fd_set*exceptfds,struct

timeval*timeout);功能 同时监听多个文件的I/O状态。参数

nfds:监听的最大文件描述符。readfds:可读文件描述符集。

writefds:可写的文件描述符集。exceptfds:例外文件描述符集。

timeout:超时时间。返回值

>0,返回就绪事件的数量。=0,等待超时。-1，错误。基于poll的I/O多路复用poll也是被广泛支持的I/O多路复用接口，功能与select相似，尽管poll对检查的文件数量没有限制，但每次监听仍需复制和扫描整个文件描述符。poll函数头文件

#include<sys/poll.h>函数原型

intpoll(struct

pollfd*fds,unsignedint

nfds,inttimeout);功能 同时监听多个文件的I/O状态。参数

fds:监听对象数组地址。

nfds:监听文件数量。

timeout:超时时间,单位毫秒。返回值 成功:发生就绪事件的文件数量失败:-1。poll函数(续)struct

pollfd{int

fd;//文件描述符shortevents;//关注的事件shortrevents;//已发生的事件};事件类型含义POLLIN有数据可读POLLPRI高优先级数据可读POLLOUT有数据可写POLLRDHUP套接字对端关闭，Linux内核2.6.171版本之后POLLWRBAND优先级数据可写POLLERR发生错误POLLHUP发生挂起POLLNVAL文件描述符无效13.6高性能I/O事件驱动epoll概述

为了提高I/O多路复用的性能，Linux内核自2.6起，引入了一种高性能异步I/O事件处理的本地化接口，称为epoll

epoll是对传统I/O多路复用的优化和扩展，无须每次设置和扫描整个被监听的文件，仅需一次性将需监听的被文件描述符注册至内核，内核使用红黑树管理监听的对象，将用户缓存映射至内核空间，提高了数据存取效率，使用链表管理产生的I/O就绪事件。事件触发模式

epoll提供了水平触发和边缘触发两种事件触发模式。1.水平触发模式

只要文件的I/O状态可用，便可产生对应的I/O事件。2.边缘触发模式只有文件的状态与上一次相比发生了改变，才产生相应的I/O事件。创建epoll实例头文件

#include<sys/epoll.h>函数原型

int

epoll_create(intsize);功能 创建epoll实例。参数

size:文件描述符的最大数量。返回值 成功返回rpoll文件描述符，失败返回-1。设置监听对象头文件

#include<sys/epoll.h>函数原型

int

epoll_ctl(int

epfd,int

op,int

fd,struct

epoll_event*event);功能 设置监听对象。参数

epfd:epoll实例。

Op:操作符。

fd:文件描述符。

event:事件。返回值 成功返回0，失败返回-1。参数op定义EPOLL_CTL_ADD向epoll实例添加监听对象EPOLL_CTL_MOD修改epoll实例的监听对象EPOLL_CTL_DEL从epoll实例删除监听对象epoll_ctl含住中参数op的定义I/O事件类型含义EPOLLIN接收到普通数据EPOLLPRI接收到紧急数据EPOLLRDHUP套接字对端关闭，Linux内核2.6.171版本之后EPOLLOUT可以写入数据EPOLLET边缘触发EPOLLLT水平触发，缺省模式EPOLLONESHOT只监听一次事件EPOLLERR当描述符发生错误，默认设置E