Linux异步IO

Linux中最常用的IO模型是同步IO，在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足条件为止。这是一种很好的解决方案，调用应用程序在等待IO完成的时候不需要占用CPU，但是在很多场景中，IO请求可能需要和CPU消耗交叠，以充分利用CPU和IO提高吞吐率。

下图描绘了异步IO的时序，应用程序发起IO *** 作后，直接开始执行，并不等待IO结束，它要么过一段时间来查询之前的IO请求完成情况，要么IO请求完成了会自动被调用与IO完成绑定的回调函数。

Linux的AIO有多种实现，其中一种实现是在用户空间的glibc库中实现的，本质上是借用了多线程模型，用开启的新的线程以同步的方式做IO，新的AIO辅助线程与发起AIO的线程以pthread_cond_signal()的形式进行线程间的同步，glibc的AIO主要包含以下函数：

1、aio_read()

aio_read()函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读 *** 作。这个文件描述符可以代表一个文件、套接字，甚至管道，aio_read()函数原型如下：

aio_read（）函数在请求进行排队之后就会立即返回（尽管读 *** 作并未完成），如果执行成功就返回0，如果出现错误就返回-1。参数aiocb（AIO I/O Control Block）结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO *** 作准备的用户空间缓冲区。在产生IO完成通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的IO *** 作。

2.aio_write()

aio_write()函数用来请求一个异步写 *** 作。函数原型如下：

aio_write（）函数会立即返回，并且它的请求以及被排队（成功时返回值为0，失败时返回值为-1）

3.aio_error()

aio_error()函数被用来确定请求的状态，其原型如下：

该函数的返回：

4.aio_return()

异步IO和同步阻塞IO方式之间有一个区别就是不能立即访问函数的返回状态，因为异步IO没有阻塞在read()调用上。在标准的同步阻塞read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。

但是在异步IO中，我们要用aio_return()函数，原型如下：

只有在aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功、也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数，aio_return()的返回值就等价于同步情况中read()或者write系统调用的返回值。

5.aio_suspend()

用户可以用该函数阻塞调用进程，直到异步请求完成为止，调用者提供了一个aiocb引用列表，其中任何一个完成都会导致aio_suspend()返回。函数原型如下：

6.aio_cancel()

该函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所以IO请求。

要取消一个请求，用户需要提供文件描述符和aiocb指针，如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回AIO_CANCELED。如果请求完成了，就会返回AIO_NOTCANCELED。

7.lio_listio()

lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用中启动大量的IO *** 作，原型如下：

mode参数可以是LIO_WAIT或者是LIO_NOWAIT。LIO_WAIT会阻塞这个调用，直到所有的IO都返回为止，若是LIO_NOWAIT模型，在IO *** 作完成排队之后，该函数就会返回。list是一个aiocb的列表，最大元素的个数是由nent定义的。如果list的元素为null，lio_listio（）会将其忽略。

文件IO的分层设计

先看图：

malloc的buf对应application buffer，用户空间；

fwrite是系统提供的最上层接口，也是最常用的接口。它在用户进程空间开辟一个CLib buffer，将多次小数据量相邻写 *** 作(application buffer)先缓存起来，合并，最终调用write函数一次性写入（或者将大块数据分解多次write调用）；

write函数通过调用系统调用接口，将数据从应用层copy到内核层，所以write会触发内核态/用户态切换。当数据到达page cache后，内核并不会立即把数据往下传递。而是返回用户空间。数据什么时候写入硬盘，有内核IO调度决定，所以write是一个异步调用

read调用是先检查page cache里面是否有数据，如果有，就取出来返回用户，如果没有，就同步传递下去并等待有数据，再返回用户，所以read是一个同步过程；

fclose隐含fflush函数,fflush只负责把数据从Clibbuffer拷贝到pagecache中返回，并没有刷新到磁盘上，刷新到磁盘上可以使用fsync函数；

即便fsync仍有可能没写到磁盘上，一是磁盘有缓存，二是即便关闭缓存也可能为了跑分没有真正关闭；

** 一致性

fwrite使用用户进程私有空间，多线程必然需要做同步。write如果写大小小于PIPE_BUF，是原子 *** 作。根据已知信息，内核所做仅限于此，如果两个进程同时写文件，可能出现错乱，需要实测。

** 安全性

从前面的分层设计来看，使用fsync函数可以最大限度保障安全写入，但仍然没有绝对的安全性。

另外一张图

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