linux下aio异步读写详解与实例

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shixin_0125 2022-06-09 10:17:19

1.为什么会有异步I/O

aio异步读写是在linux内核2.6之后才正式纳入其标准。之所以会增加此模块，是因为众所周知我们计算机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

2.异步I/O的基本概念

所谓异步I/O即我们在调用I/O操作时(读或写)我们的程序不会阻塞在当前位置，而是在继续往下执行。例如当我们调用异步读API aio_read()时，程序执行此代码之后会接着运行此函数下面的代码，并且与此同时程序也在进行刚才所要读的文件的读取工作，但是具体什么时候读完是不确定的

3.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

上述的每个API都要用aiocb结构体赖进行操作
aiocb的结构中常用的成员有

struct aiocb
{
    //要异步操作的文件描述符
    int aio_fildes;
    //用于lio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;
}

4异步I/O操作的具体使用

(1)异步读aio_read

aio_read函数请求对一个文件进行读操作，所请求文件对应的文件描述符可以是文件，套接字，甚至管道其原型如下

int aio_read(struct aiocb *paiocb);

该函数请求对文件进行异步读操作，若请求失败返回-1，成功则返回0，并将该请求进行排队，然后就开始对文件的异步读操作
需要注意的是，我们得先对aiocb结构体进行必要的初始化
具体实例如下

aio_read

#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);
    }

    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",ret);


    return 0;
}

上述实例中aiocb结构体用来表示某一次特定的读写操作，在异步读操作时我们只需要注意4点内容
1.确定所要读的文件描述符，并写入aiocb结构体中(下面几条一样不再赘余)
2.确定读所需的缓冲区
3.确定读的字节数
4.确定文件的偏移量
总结以上注意事项：基本上和我们的read函数所需的条件相似，唯一的区别就是多一个文件偏移量

值得注意的是上述代码中aio_error是用来获取其参数指定的读写操作的状态的
其原型如下

int aio_error(struct aiocb *aiopcb);

当其状态处于EINPROGRESS则I/O还没完成，当处于ECANCELLED则操作已被取消，发生错误返回-1

而aio_return则是用来返回其参数指定I/O操作的返回值
其原型如下

ssize_t aio_return(struct aiocb *paiocb);

如果操作没完成调用此函数，则会产生错误

特别提醒在编译上述程序时必须在编译时再加一个-lrt

上述代码运行结果如下
linux下aio异步读写详解与实例_#include

(2)异步写aio_write

aio_writr用来请求异步写操作
其函数原型如下

int aio_write(struct aiocb *paiocb);

aio_write和aio_read函数类似，当该函数返回成功时，说明该写请求以进行排队(成功0，失败-1)
其和aio_read调用时的区别是就是我们如果在打开文件是，flags设置了O_APPEND则我们在填充aiocb时不需要填充它的偏移量了
具体实例如下

#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 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;
}

具体运行结果请读者自己去试试

(3)使用aio_suspend阻塞异步I/O

aio_suspend函数可以时当前进程挂起，知道有向其注册的异步事件完成为止
该函数原型如下

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事件，NULL为无限等待

具体使用如下
suspend:

#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;

    //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);
    }

    couter = 0;
//  循环等待异步读操作结束
    while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS)
    {
        printf("第%d次\n",++couter);
    }

    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;
}

(4)lio_listio函数

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
其函数原型如下

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

具体实例如下
lio_listio

#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] = &wr;

    //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;
}

5.I/O完成时进行异步通知

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，关于信号通知有兴趣的同学自己去学习吧

使用回调进行异步通知

该种通知方式使用一个系统回调函数来通知应用程序，要想完成此功能，我们必须在aiocb中设置我们想要进行异步回调的aiocb指针，以用来回调之后表示其自身

实例如下
aio线程回调通知

#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");

    //判断请求是否成功
    if(aio_error(prd) == 0)
    {
        //获取返回值
        ret = aio_return(prd);
        printf("读返回值为:%d\n",ret);
    }
}

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;
}

线程会掉是通过使用aiocb结构体中的aio_sigevent结构体来控制的，
其定义如下

struct sigevent
{
    sigval_t sigev_value;
    int sigev_signo;
    int sigev_notify;
    union {
        int _pad[SIGEV_PAD_SIZE];
         int _tid;

        struct {
            void (*_function)(sigval_t);
            void *_attribute;   /* really pthread_attr_t */
        } _sigev_thread;
    } _sigev_un;
}

#define sigev_notify_function   _sigev_un._sigev_thread._function
#define sigev_notify_attributes _sigev_un._sigev_thread._attribute
#define sigev_notify_thread_id   _sigev_un._tid

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