Linux中的AIO
产生AIO的原因：
计算机CPU的执行速度远大于I/O读写的执行速度，如果我们用传统的阻塞式或非阻塞式来操作I/O的话，那么我们在同一个程序中(不用多线程或多进程)就不能同时操作俩个以上的文件I/O，每次只能对一个文件进行I/O操作，很明显这样效率很低下(因为CPU速度远大于I/O操作的速度，所以当执行I/O时，CPU其实还可以做更多的事)。因此就诞生了相对高效的异步I/O
异步aio的基本API
| API函数 | 说明 |
|---|---|
| aio_read | 异步读操作 |
| aio_write | 异步写操作 |
| aio_error | 检查异步请求的状态 |
| aio_return | 获得异步请求完成时的返回值 |
| aio_suspend | 挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已完成 |
| aio_cancel | 取消异步请求 |
| lio_list | 发起一系列异步I/O请求 |
AIO结构体aiocb
struct aiocb
{ //要异步操作的文件描述符
int aio_fildes;
//用于aio操作时选择操作何种异步I/O类型
int aio_lio_opcode;
//异步读或写的缓冲区的缓冲区
volatile void *aio_buf;
//异步读或写的字节数
size_t aio_nbytes;
//异步通知的结构体
struct sigevent aio_sigevent;
off_t aio_offset;
/*1，size_t：跟机器字长一样；
2，off_t：32位机器下默认是32位长，这时无法对大于4G的文件偏移操作，这时off_t = __off_t；如果想进行大于4G的文件偏移操作，可以在程序中加入头文件之前定义这时off_t = __off64_t，具体定义在unistd.h中；对于64位机，默认就是64位长。
#define _FILE_OFFSET_BITS 64
3，ino_t：跟机器字长一样。*/
int aio_reqprio; //请求优先级
};
异步I/O操作的具体使用
aio_read
- aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下
int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
- aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。
aio_error
- aio_error 函数被用来确定请求的状态。
int aio_error( struct aiocb *aiocbp );
- 返回值
EINPROGRESS，说明请求尚未完成
ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了
-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno
0 ,说明完成当前请求
o_return
- 异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在 read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用 aio_return 函数。这个函数的原型如下：
ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );
返回值为读入或写入的长度
-
demo
#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h> #define BUFFER_SIZE 1024 int MAX_LIST = 2; int main(int argc,char **argv) { //aio操作所需结构体 struct aiocb rd; int fd,ret,couter; fd = open("test.txt",O_RDONLY); if(fd < 0) { perror("test.txt"); } //将rd结构体清空 bzero(&rd,sizeof(rd)); //为rd.aio_buf分配空间 rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1); //填充rd结构体 rd.aio_fildes = fd; rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE; rd.aio_offset = 0; //进行异步读操作 ret = aio_read(&rd); if(ret < 0) { perror("aio_read"); exit(1); } //do other things couter = 0; // 循环等待异步读操作结束 while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS) { // printf("第%d次\n",++couter); } //获取异步读返回值 ret = aio_return(&rd); printf("\n\n返回值为:%d\n",ret); printf("%s\n",rd.aio_buf); free(rd.aio_buf); close(fd); return 0; }aio_write
- aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：
int aio_write( struct aiocb *aiocbp ); aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。
这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。
demo
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#define BUFFER_SIZE 1024
int main(int argc,char **argv)
{
//定义aio控制块结构体
struct aiocb wr;
int ret,fd;
char str[20] = {"hello,world"};
//置零wr结构体
bzero(&wr,sizeof(wr));
fd = open("test.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
if(fd < 0)
{
perror("test.txt");
}
//为aio.buf申请空间
wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
if(wr.aio_buf == NULL)
{
perror("buf");
}
wr.aio_buf = str;
//填充aiocb结构
wr.aio_fildes = fd;
wr.aio_nbytes = 1024;
//异步写操作
ret = aio_write(&wr);
if(ret < 0)
{
perror("aio_write");
}
//等待异步写完成
while(aio_error(&wr) == EINPROGRESS)
{
printf("hello,world\n");
}
//获得异步写的返回值
ret = aio_return(&wr);
printf("\n\n\n返回值为:%d\n",ret);
return 0;
}
aio_suspend
aio_suspend函数可以使当前进程挂起，直到有向其注册的异步事件完成为止
阻塞
当有AIO请求返程后，该函数返回
int aio_suspend(const struct aiocb *const cblist[],int n,const struct timespec *timeout);
第一个参数是个保存了aiocb块地址的数组，我们可以向其内添加想要等待阻塞的异步事件，第二个参数为向cblist注册的aiocb个数,第三个参数为等待阻塞的超时时间，NULL为无限等待
demo
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#define BUFFER_SIZE 1024
int MAX_LIST = 2;
int main(int argc,char **argv)
{
//aio操作所需结构体
struct aiocb rd;
struct aiocb wd;
int fd,ret,couter;
//cblist链表
struct aiocb *aiocb_list[2];
fd = open("test.txt",O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("test.txt");
}
//将rd结构体清空
bzero(&rd,sizeof(rd));
//为rd.aio_buf分配空间
rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);
//填充rd结构体
rd.aio_fildes = fd;
rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
rd.aio_offset = 0;
//将读fd的事件注册
aiocb_list[0] = &rd;
//进行异步读操作
ret = aio_read(&rd);
if(ret < 0)
{
perror("aio_read");
exit(1);
}
printf("我要开始等待异步读事件完成\n");
//阻塞等待异步读事件完成
ret = aio_suspend(aiocb_list,MAX_LIST,NULL);
//获取异步读返回值
ret = aio_return(&rd);
printf("\n\n返回值为:%d\n",ret);
return 0;
}
lio_listio
aio同时还为我们提供了一个可以发起多个或多种I/O请求的接口lio_listio
这个函数效率很高，因为我们只需一次系统调用(一次内核上下位切换)就可以完成大量的I/O操作
int lio_listio(int mode,struct aiocb *list[],int nent,struct sigevent *sig);
第一个参数mode可以有俩个实参，LIO_WAIT和LIO_NOWAIT，前一个会阻塞该调用直到所有I/O都完成为止，后一个则会挂入队列就返回
- LIO_WAIT 阻塞发起
- LIO_NOWAIT 非阻塞发起
批量发起AIO的两种方法
- 阻塞等到所有发起的AIO全部完成后，才会返回
- 发起后立即返回，通过绑定的信号来通知
LIO_WAIT demo
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#define BUFFER_SIZE 1025
int MAX_LIST = 2;
int main(int argc,char **argv)
{
struct aiocb *listio[2];
struct aiocb rd,wr;
int fd,ret;
//异步读事件
fd = open("test1.txt",O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("test1.txt");
}
bzero(&rd,sizeof(rd));
rd.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
if(rd.aio_buf == NULL)
{
perror("aio_buf");
}
rd.aio_fildes = fd;
rd.aio_nbytes = 1024;
rd.aio_offset = 0;
rd.aio_lio_opcode = LIO_READ; ///lio操作类型为异步读
//将异步读事件添加到list中
listio[0] = &rd;
//异步些事件
fd = open("test2.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
if(fd < 0)
{
perror("test2.txt");
}
bzero(&wr,sizeof(wr));
wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
if(wr.aio_buf == NULL)
{
perror("aio_buf");
}
wr.aio_fildes = fd;
wr.aio_nbytes = 1024;
wr.aio_lio_opcode = LIO_WRITE; ///lio操作类型为异步写
//将异步写事件添加到list中
listio[1] = ≀
//使用lio_listio发起一系列请求
ret = lio_listio(LIO_WAIT,listio,MAX_LIST,NULL);
//当异步读写都完成时获取他们的返回值
ret = aio_return(&rd);
printf("\n读返回值:%d",ret);
ret = aio_return(&wr);
printf("\n写返回值:%d",ret);
return 0;
}
LIO_NOWAIT demo
当我们的异步I/O操作完成之时，我们可以通过信号通知我们的进程也可用回调函数来进行异步通知，接下来我会为大家主要介绍以下回调函数来进行异步通知
struct sigevent {
int sigev_notify; //Notification type.
int sigev_signo; //Signal number.
union sigval sigev_value; //Signal value.
void (*sigev_notify_function)(union sigval); //Notification function.
pthread_attr_t *sigev_notify_attributes; //Notification attributes.
};
union sigval
{
int sival_int;
void *sival_ptr;
};
demo
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#include<unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 1025
void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
{
//用来获取读aiocb结构的指针
struct aiocb *prd;
int ret;
prd = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;
printf("hello\n");
//获取返回值
ret = aio_return(prd);
}
int main(int argc,char **argv)
{
int fd,ret;
struct aiocb rd;
fd = open("test.txt",O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("test.txt");
}
//填充aiocb的基本内容
bzero(&rd,sizeof(rd));
rd.aio_fildes = fd;
rd.aio_buf = (char *)malloc(sizeof(BUFFER_SIZE + 1));
rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
rd.aio_offset = 0;
//填充aiocb中有关回调通知的结构体sigevent
rd.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//使用线程回调通知
rd.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;//设置回调函数
rd.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;//使用默认属性
rd.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &rd;//在aiocb控制块中加入自己的引用
//异步读取文件
ret = aio_read(&rd);
if(ret < 0)
{
perror("aio_read");
}
printf("异步读以开始\n");
sleep(1);
printf("异步读结束\n");
return 0;
}
