嵌入式Linux 異步IO機(jī)制

嵌入式linux中文站向廣大嵌入式linux愛(ài)好者介紹一下嵌入式linux系統(tǒng)的I/O機(jī)制。

Linux的I/O機(jī)制經(jīng)歷了一下幾個(gè)階段的演進(jìn)：
1. 同步阻塞I/O: 用戶進(jìn)程進(jìn)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: 用戶程序可以通過(guò)設(shè)置文件描述符的屬性O(shè)_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是并不保證I/O操作成功。
3. 異步事件阻塞I/O: 用戶進(jìn)程可以對(duì)I/O事件進(jìn)行阻塞，但是I/O操作并不阻塞。通過(guò)select/poll/epoll等函數(shù)調(diào)用來(lái)達(dá)到此目的。
4. 異步時(shí)間非阻塞I/O: 也叫做異步I/O(AIO)，用戶程序可以通過(guò)向內(nèi)核發(fā)出I/O請(qǐng)求命令，不用等帶I/O事件真正發(fā)生，可以繼續(xù)做
?????????? 另外的事情，等I/O操作完成，內(nèi)核會(huì)通過(guò)函數(shù)回調(diào)或者信號(hào)機(jī)制通知用戶進(jìn)程。這樣很大程度提高了系統(tǒng)吞吐量。
??????????
下面就AIO做詳細(xì)介紹：
要使用aio的功能，需要include頭文件aio.h，在編譯連接的時(shí)候需要加入POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展庫(kù)rt.下面就aio庫(kù)的使用做介紹。
1. AIO整個(gè)過(guò)程所使用的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，struct aiocb,aio control block.看看頭文件中的定義：

/* Asynchronous I/O control block.? */
struct aiocb
{
? int aio_fildes;?????????????? /* File desriptor.? */ 需要在哪個(gè)文件描述符上進(jìn)行I/O
? int aio_lio_opcode;?????????? /* Operation to be performed.? */ 這個(gè)是針對(duì)批量I/O的情況有效，讀寫(xiě)操作類型
? int aio_reqprio;????????????? /* Request priority offset.? */ 請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)（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(nèi)容，數(shù)據(jù)緩存
? size_t aio_nbytes;??????????? /* Length of transfer.? */ 數(shù)據(jù)緩存的長(zhǎng)度
? struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value.? */ 用于異步I/O完成后的通知。

?內(nèi)部實(shí)現(xiàn)使用的數(shù)據(jù)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.? */ 文件讀寫(xiě)偏移
#endif
? char __unused[32];
};

2. int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
異步讀操作，向內(nèi)核發(fā)出讀的命令，傳入的參數(shù)是一個(gè)aiocb的結(jié)構(gòu)，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);
異步寫(xiě)操作，向內(nèi)核發(fā)出寫(xiě)的命令，傳入的參數(shù)仍然是一個(gè)aiocb的結(jié)構(gòu)，當(dāng)文件描述符的O_APPEND
標(biāo)志位設(shè)置后，異步寫(xiě)操作總是將數(shù)據(jù)添加到文件末尾。如果沒(méi)有設(shè)置，則添加到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);
如果該函數(shù)返回0，表示aiocbp指定的異步I/O操作請(qǐng)求完成。
如果該函數(shù)返回EINPROGRESS，表示aiocbp指定的異步I/O操作請(qǐng)求正在處理中。
如果該函數(shù)返回ECANCELED，表示aiocbp指定的異步I/O操作請(qǐng)求已經(jīng)取消。
如果該函數(shù)返回-1，表示發(fā)生錯(cuò)誤，檢查errno。

5. ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
這個(gè)函數(shù)的返回值相當(dāng)于同步I/O中，read/write的返回值。只有在aio_error調(diào)用后
才能被調(diào)用。

6. int aio_cancel(int fd, struct aiocb *aiocbp);
取消在文件描述符fd上的aiocbp所指定的異步I/O請(qǐng)求。
如果該函數(shù)返回AIO_CANCELED，表示操作成功。
如果該函數(shù)返回AIO_NOTCANCELED，表示取消操作不成功，使用aio_error檢查一下?tīng)顟B(tài)。
如果返回-1，表示發(fā)生錯(cuò)誤，檢查errno.

7. int lio_listio(int mode, struct aiocb *restrict const list[restrict],
???????????? int nent, struct sigevent *restrict sig);
使用該函數(shù)，在很大程度上可以提高系統(tǒng)的性能，因?yàn)樵僖淮蜪/O過(guò)程中，OS需要進(jìn)行
用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，如果我們將更多的I/O操作都放在一次用戶太和內(nèi)核太的切換中，
減少切換次數(shù)，換句話說(shuō)在內(nèi)核盡量做更多的事情。這樣可以提高系統(tǒng)的性能。

用戶程序提供一個(gè)struct aiocb的數(shù)組，每個(gè)元素表示一次AIO的請(qǐng)求操作。需要設(shè)置struct aiocb
中的aio_lio_opcode數(shù)據(jù)成員的值，有LIO_READ，LIO_WRITE和LIO_NOP。
nent表示數(shù)組中元素的個(gè)數(shù)。最后一個(gè)參數(shù)是對(duì)AIO操作完成后的通知機(jī)制的設(shè)置。

8. 設(shè)置AIO的通知機(jī)制，有兩種通知機(jī)制：信號(hào)和回調(diào)
(1).信號(hào)機(jī)制
?首先我們應(yīng)該捕獲SIGIO信號(hào)，對(duì)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 );

?信號(hào)處理函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
?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). 回調(diào)機(jī)制
需要設(shè)置：
myaiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD
my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_handler;

回調(diào)函數(shù)的原型：
typedef void (* FUNC_CALLBACK)(sigval_t sigval);

AIO機(jī)制為服務(wù)器端高并發(fā)應(yīng)用程序提供了一種性能優(yōu)化的手段。加大了系統(tǒng)吞吐量。