一篇文章带你读懂 io_uring 的接口与实现

io_uring 是 Linux 提供的一个异步 I/O 接口。io_uring 在 2019 年加入 Linux 内核，经过了两年的发展，现在已经变得非常强大。本文基于 Linux 5.12.10 介绍 io_uring 接口。

io_uring 的实现主要在 fs/io_uring.c 中。

io_uring 的 用户态 API

io_uring 的实现仅仅使用了三个 syscall：io_uring_setup, io_uring_enter 和 io_uring_register。它们分别用于设置 io_uring 上下文，提交并获取完成任务，以及注册内核用户共享的缓冲区。使用前两个 syscall 已经足够使用 io_uring 接口了。

用户和内核通过提交队列和完成队列进行任务的提交和收割。后文中会出现大量的简写，在这里先做一些介绍。

缩略语	英语	中文	解析
SQ	Submission Queue	提交队列	一整块连续的内存空间存储的环形队列。 用于存放将执行操作的数据。
CQ	Completion Queue	完成队列	一整块连续的内存空间存储的环形队列。 用于存放完成操作返回的结果。
SQE	Submission Queue Entry	提交队列项	提交队列中的一项。
CQE	Completion Queue Entry	完成队列项	完成队列中的一项。
Ring	Ring	环	比如 SQ Ring，就是“提交队列信息”的意思。 包含队列数据、队列大小、丢失项等等信息。

初始化 io_uring

long io_uring_setup(u32 entries, struct io_uring_params __user *params)

用户通过调用 io_uring_setup 1 初始化一个新的 io_uring 上下文。该函数返回一个 file descriptor，并将 io_uring 支持的功能、以及各个数据结构在 fd 中的偏移量存入 params。用户根据偏移量将 fd 映射到内存 (mmap) 后即可获得一块内核用户共享的内存区域。这块内存区域中，有 io_uring 的上下文信息：提交队列信息 (SQ_RING) 和完成队列信息 (CQ_RING)；还有一块专门用来存放提交队列元素的区域 (SQEs)。SQ_RING 中只存储 SQE 在 SQEs 区域中的序号，CQ_RING 存储完整的任务完成数据。2

在 Linux 5.12 中，SQE 大小为 64B，CQE 大小为 16B。因此，相同数量的 SQE 和 CQE 所需要的空间不一样。初始化 io_uring 时，用户如果不在 params 中设置 CQ 长度，内核会分配 entries 个 SQE，以及 entries * 2 个 CQE。

io_uring_setup 设计的巧妙之处在于，内核通过一块和用户共享的内存区域进行消息的传递。在创建上下文后，任务提交、任务收割等操作都通过这块共享的内存区域进行，在 IO_SQPOLL 模式下（后文将详细介绍），可以完全绕过 Linux 的 syscall 机制完成需要内核介入的操作（比如读写文件）&#