Linux系统编程(十)--高级IO-异步IO
文章目录
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- 1 同步IO与异步IO
- 2 POSIX异步IO（aiocb）
- 3 异步操作状态
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- 3.1 aio_error
- 3.2 aio_return
- 4 等待异步IO操作
- 5 异步IO取消操作
- 6 批量请求
- 7 异步通知
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- 7.1 两种通知方式
- 7.2 aiocb的成员aio_sigevent
- 7.3 sigevent 的成员
1 同步IO与异步IO
塞和非阻塞
从简单的开始，我们以经典的读取文件的模型举例。（对操作系统而言，所有的输入输出设备都被抽象成文件。）
在发起读取文件的请求时，应用层会调用系统内核的I/O接口。
如果应用层调用的是阻塞型I/O，那么在调用之后，应用层即刻被挂起，一直出于等待数据返回的状态，直到系统内核从磁盘读取完数据并返回给应用层，应用层才用获得的数据进行接下来的其他操作。
如果应用层调用的是非阻塞I/O，那么调用后，系统内核会立即返回（虽然还没有文件内容的数据），应用层并不会被挂起，它可以做其他任意它想做的操作。（至于文件内容数据如何返回给应用层，这已经超出了阻塞和非阻塞的辨别范畴。）
这便是（脱离同步和异步来说之后）阻塞和非阻塞的区别。总结来说，是否是阻塞还是非阻塞，关注的是接口调用（发出请求）后等待数据返回时的状态。被挂起无法执行其他操作的则是阻塞型的，可以被立即「抽离」去完成其他「任务」的则是非阻塞型的。
同步和异步
阻塞和非阻塞解决了应用层等待数据返回时的状态问题，那系统内核获取到的数据到底如何返回给应用层呢？这里不同类型的操作便体现的是同步和异步的区别。
对于同步型的调用，应用层需要自己去向系统内核问询，如果数据还未读取完毕，那此时读取文件的任务还未完成，应用层根据其阻塞和非阻塞的划分，或挂起或去做其他事情（所以同步和异步并不决定其等待数据返回时的状态）；如果数据已经读取完毕，那此时系统内核将数据返回给应用层，应用层即可以用取得的数据做其他相关的事情。
而对于异步型的调用，应用层无需主动向系统内核问询，在系统内核读取完文件数据之后，会主动通知应用层数据已经读取完毕，此时应用层即可以接收系统内核返回过来的数据，再做其他事情。
这便是（脱离阻塞和非阻塞来说之后）同步和异步的区别。也就是说，是否是同步还是异步，关注的是任务完成时消息通知的方式。由调用方盲目主动问询的方式是同步调用，由被调用方主动通知调用方任务已完成的方式是异步调用。
举例说明：
老张爱喝茶，废话不说，煮开水。 出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。 1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞） 老张觉得自己有点傻 2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞） 老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。 3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞） 老张觉得这样傻等意义不大 4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞） 老张觉得自己聪明了。
所谓同步异步，只是对于水壶而言。 普通水壶，同步；响水壶，异步。 虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。 同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。 立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。 情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。
2 POSIX异步IO（aiocb）
除了 POSIX 异步 IO 以外，还有 System V 异步 IO、BSD 异步 IO。这里只讲 POSIX 异步IO，对应aio开头的一系列函数：
| 函数 | 语义 |
|---|---|
| aio_read | 请求异步读操作 |
| aio_write | 请求异步写操作 |
| aio_error | 检查异步请求的状态 |
| aio_return | 获得完成的异步请求的返回状态 |
| aio_suspend | 阻塞调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败） |
| aio_cancel | 取消异步 I/O 请求 |
| lio_listio | 发起一系列 I/O 操作 |
异步 IO 控制块（asynchronous I/O control block, aiocb）
#include aio_fildes: 文件描述符，相当于read 或 write 函数的第一个fd参数，表示想操作哪个文件描述符上的IO。
aio_offset: 文件偏移指针，表示想从文件的哪个位置开始操作。比如从文件的第10个字节开始读，就设成10。
aio_buf: 缓冲区的地址。
aio_nbytes: 要传输多少字节的数据。
实验：异步读操作的例子
// my_aio_read.c
#include - 编译和运行
注意编译的时候需要链接 rt 运行库。
$ gcc my_aio_read.c -o my_aio_read -lrt1
运行后，如果你什么也不操作，程序会在屏幕上打点。这里，我输入了 hello 后回车。
$ ./my_aio_read
...he.llo..
content: hello
3 异步操作状态
使用 aio_read 或 aio_write 等函数发起了异步读或写时，内核就自己去干活了，轮询查看结果。还可以异步通知，后面讲。
// 不断的检查异步读的状态，如果返回 EINPROGRESS，说明异步读还没完成
// 轮询检查状态是一种很笨的方式，其实可以让操作系统用信号的方式来通知，或者让操作系统完成读后主动创建一个线程执行。在后面我们会继续学习这两种通知方式。
while (aio_error(&my_aiocb) == EINPROGRESS) {
write(STDOUT_FILENO, ".", 1);
sleep(1);
}
3.1 aio_error
作用：获取异步请求的状态。
int aio_error(const struct aiocb *aiocb);
返回值：
-
EINPROGRESS，异步请求未完成。
-
ECANCELED，异步请求被取消。
-
0，请求成功完成。
-
> 0 的错误码，表明异步操作失败，该值相当于同步IO函数 read、write 出错时，设置的errno变量。
aio_error 是线程安全的。
3.2 aio_return
作用：获取异步请求的状态。
ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
注意：对于每个请求只能使用一次，而且要在 aio_error 返回值不是 EINPROGRESS 的情况下使用。
返回值：
-
如果异步操作完成了，该函数返回值就相当于同步IO类函数 read, write, fsync 或 fdatasync 等的返回值。
-
如果异步操作未完成的情况下你使用了它，结果是未定义的！
实验：程序 my_aio_return.c 实际上只是将前面的代码稍稍做了修改。
// my_aio_return.c
#include 编译运行
$ gcc my_aio_return.c -o my_aio_return -lrt
$ ./my_aio_return
hello
content: hello
, return: 6
程序启动后，在终端输入了字符串 hello 后回车。然后在程序的界面打印出 hello 的内容，注意后面换行符也被送到缓冲区了，aio_return 返回的是读到的字节数。
4 等待异步IO操作
类似线程中的 pthread_join 函数，在异步 IO 中，aio_suspend等待指定的异步 IO 操作完成才返回。
int aio_suspend(const struct aiocb * const aiocb_list[], int nitems, const struct timespec *timeout);
参数
-
aiocb_list：数组，存储的元素类型是 const struct aiocb* 类型。如果某个元素为 NULL，aio_suspend 会忽略它。
-
nitems：aiocb_list 数组大小。
-
timeout：超时时间，设置成 NULL 表示永远等待，直到异步 IO 操作完成。
函数语义
aio_suspend 函数会阻塞调用线程，直到发生下面的事情：
- aiocb_list 中的一个或多个请求已完成。
- 收到信号，被信号打断。
- timeout 不空，超时时间已过。
实验：
程序 my_aio_suspend 同样是对前面程序的修改。
// my_aio_suspend.c
#include 编译运行
$ gcc my_aio_suspend.c -o my_aio_suspend -lrt
$ ./my_aio_suspend
hello
aio_suspend return
content: hello
, return: 6
启动程序后，程序首先会在 aio_suspend 处阻塞，在终端输入 hello 后，aio_suspend 就返回了。
5 异步IO取消操作
int aio_cancel(int fd, struct aiocb *aiocbp)
参数
-
fd：想取消哪个描述符上的异步 IO 请求。
-
aiocbp：空，表示取消该描述符上所有的异步 IO 请求，不空，取消由 aiocbp 指定的异步 IO 请求。
返回值
-
AIO_CANCELED：所有请求被成功取消。
-
AIO_NOTCANCELED：至少有一个请求未被取消，因为它处于异步 IO 的处理过程中，也就是 aio_error 返回值为 EINPROGRESS 的时候。
-
AIO_ALLDONE：所有请求都已经完成了。
-
-1：有错误发生，同时设置 errno 变量。
实验：
程序 my_aio_cancel.c 演示了 aio_cancel 的使用。
#include 编译运行
$ gcc my_aio_cancel.c -o my_aio_cancel -lrt
$ ./my_aio_cancel
AIO_NOTCANCELED
hello
Request completed
content: hello
, return: 6
从结果里可以看到，无法取消前面发起的异步读操作。
6 批量请求
POSIX 提供了函数 lio_listio 可以一次性发起多个异步 IO 请求。
int lio_listio(int mode, struct aiocb *const aiocb_list[], int nitems, struct sigevent *sevp);
函数参数
- mode 有两个可选值：LIO_WAIT 和 LIO_NOWAIT。
| 值 | 含义 |
|---|---|
| LIO_WAIT | lio_listio阻塞，直到所有的异步IO请求完成。此时参数 sevp 被忽略掉 |
| LIO_NOWAIT | lio_listio立即返回，当所有异步IO请求完成后，进行异步通知，通知方式由参数 sevp 指定，为 NULL表示不需要异步通知。 |
-
aiocb_list：数组数组元素为aiocb 结构体。
-
nitems：数组大小。
在使用 lio_listio 函数时，需要将 aiocb 中的 aio_lio_opcode 成员赋值，说明内核发起何种异步IO操作。可以取如下值：
| 值 | 含义 |
|---|---|
| LIO_READ | 发起异步读操作 |
| LIO_WRITE | 发起异步写操作 |
| LIO_NOP | 忽略掉aiocb |
不管sevp参数，设为NULL。
实验：
程序 my_aio_lio 修改了前面的代码，将 aio_read 函数替换成了 lio_listio 函数发起异步读请求。程序中并没有演示同时发起多个请求，只是发起了一个。实际上，一个你会了，多个也没什么问题，无非就是给数组赋几个值而已
#include 编译运行
$ gcc my_aio_lio.c -o my_aio_lio -lrt
$ ./my_aio_lio
....hell.o
content: hello
7 异步通知
7.1 两种通知方式
1、 使用 while 循环和 aio_error 函数轮询。
while(aio_error(&my_aiocb) == EINPROGRESS) {
write(STDOUT_FILENO, ".", 1);
sleep(1);
}
2、采用异步的方式通知程序异步操作已完成。
7.2 aiocb的成员aio_sigevent
struct aiocb {
// ...
struct sigevent aio_sigevent; /* 通知方法 */
// ...
};
aio_sigevent是一个结构体，组成如下。
union sigval { /* Data passed with notification */
int sival_int; /* Integer value */
void* sival_ptr; /* Pointer value */
};
struct sigevent {
int sigev_notify; /* 通知方式 */
int sigev_signo; /* 通知所用的信号，可以自己指定，比如 SIGUSR1 */
union sigval sigev_value; /* 通知附带的数据 */
// 下面两个成员仅仅用于 SIGEV_THREAD 通知方式
void (*sigev_notify_function) (union sigval); /* 线程通知函数 */
void* sigev_notify_attributes; /* 通知线程的属性，一般指定为 pthread_attr_t 结构的地址 */
// 通知线程 id. 这个成员仅仅用于 SIGEV_THREAD_ID 通知方式，这种通知方式我们不学它。
pid_t sigev_notify_thread_id;
};
7.3 sigevent 的成员
(1) sigev_notify
异步 IO 完成后，用什么样的方式通知用户程序。四个可选值：
-
SIGEV_NONE：表示不通知。
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SIGEV_SIGNAL：异步 IO 操作完成后，程序收到指定的信号（成员 sigev_signo）。
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SIGEV_THREAD：当异步 IO 操作完成后，内核会创建一个新线程执行一个函数，函数由成员 sigev_notify_function 指定。函数参数是sigev_value。
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SIGEV_THREAD_ID：Linux 操作系统独有的。仅用于 POSIX 定时器中。不管。
(2) sigev_signo
如果使用SIGEV_SIGNAL方式通知，异步IO操作完成后，进程会收到这个成员指定的信号。
(3) sigev_value
产生通知时，所附加的数据。通知产生时，通过带参数的信号处理函数或线程函数的参数传递过来。
(4) sigev_notify_function
线程函数，仅仅用于 SIGEV_THREAD 通知方式。
(5) sigev_notify_attributes
创建线程的属性，pthread_attr_t 类型的指针。仅用于 SIGEV_THREAD 通知方式。
(6) sigev_notify_thread_id
仅仅用于 SIGEV_THREAD_ID 通知方式，不学。
实验：
这部分有两个实验，一个用信号的方式通知，另一个是用线程的方式。
- 信号通知
// my_aio_sig.c
#include 编译运行
$ gcc my_aio_sig.c -o my_aio_sig -lrt
$ ./my_aio_sig
hello
receive signal: 10
content: hello
- 线程通知
#include 编译运行
$ gcc my_aio_thread.c -o my_aio_thread -lrt
$ ./my_aio_thread
hello
content: hello
