轉自：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/
AIO簡介
Linux中最常見的輸入輸出（I/O）模型是同步I/O。在這個模型中，當請求發出之后，應用程序就會阻塞，直到請求滿足為止。這是很好的一種解決方案，因為調用應用程序在等待I/O請求完成時不需要使用任何中央處理單元（CPU）。但是在某些情況中，I/O請求可能需要與其他進程產生交疊。可移植操作系統接口（POSIX）異步I/O（AIO）應用程序接口（API）就提供了這種功能。在本文中，我們將對這個API概要進行介紹。並來了解如何使用它。
LINUX異步I/O是linux內核中提供的一個相當新的增強。它是2.6版本內核的一個標准特性，但是我們在2.4版本內核的補丁中也可以找到它。AIO背后的基本思想是允許進程發起多個I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍微或在接收到I/O操作完成的通知時，進程就可以檢索I/O操作的結果。
I/O模型
在深入介紹AIO API之前，讓我們先來探索一下linux上可以使用的不同I/O模型。這並不是一個詳盡的介紹，但是我們將試圖介紹最常見的一些模型來解釋它們與異步I/O之間的區別。圖一給出了同步和異步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。
每個I/O模型都有自己的使用模式，它們對於特定的應用程序都有自己的優點。本節將簡要對其意一一進行介紹。
同步阻塞I/O
最常用的一個模型是同步組賽I/O模型。在這個模型中，用戶空間的應用程序執行一個系統調用，這會導致應用程序阻塞。這意味着應用程序會一直阻塞，指導系統調用完成為止（數據傳輸完成或發生錯誤）。調用應用程序處於一種不再消費CPU而只是簡單等待響應的狀態，因此從處理的角度來看，這是非常有效的。
圖2給出了傳統的阻塞I/O模型，這也是目前應用程序中最為常用的一種模型。其行為非常容易理解，其用法對於典型的應用程序來說都非常有效。在調用read系統調用時，應用程序會阻塞並對內核進行上下文切換。然后會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的設備中返回），數據就被移動到用戶空間的緩沖區中，然后應用程序就會解除阻塞（read調用返回）。
從應用程序的角度來說，read調用會延續很長時間。實際上，在內核執行讀操作和其其他工作時，應用程序的確會被阻塞。
注：I/O密集型與CPU密集型進程的比較
I/O密集型進程所執行的I/O操作比執行的處理操作更多，
CPU密集型的進程所執行的處理操作比I/O操作更多。
LINUX2.6的調度器實際上更加偏愛I/O密集型的進程，因為它們通常會發起一個I/O操作，然后進行阻塞，這就意味着其他工作都可以在兩者之間有效地交錯進行。
同步非阻塞I/O
同步阻塞I/O的一種效率稍低的變種是同步非阻塞I/O。在這個模型中，設備是以非阻塞的方式打開。這意味着I/O操作不會立即完成，read操作可能會返回一個錯誤代碼，說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN或EWOULDELOCK）,如圖3所示。
非阻塞的實現是I/O命令可能並不會立即滿足，需要應用程序調用許多次來等待操作完成。這可能效率不高，因為在很多情況下，當內核執行這個命令時，應用程序必須要進行忙碌等待，直到數據可用為止，或者試圖試行其他工作。正如圖3所示的一樣，這個方法可以引入I/O操作的延時，因為數據在內核中變為可用到用戶調用read返回數據之間存在一定的間隔，這會導致整體數據吞吐量的降低。
異步阻塞I/O
另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞I/O。在這種模型中，配置是非阻塞I/O，然后使用select系統調用來確定一個I/O描述符何時有操作，使select調用非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知，而不僅僅為了一個描述符提供通知。對於每個描述符來說，我們可以請求這個描述符可以寫數據、有讀數據可用以及是否發生錯誤的通知。
select調用的主要問題是它的效率不是非常高。盡管這是異步通知使用的一種方便模型，但是對於高性能的I/O操作來說不建議使用。
異步非阻塞I/O（AIO）
最后，異步非阻塞I/O模型是一種處理與I/O重疊進行的模型。讀請求會立即返回，說明read請求已經成功發起了。在后台完成讀操作時，應用程序然后會執行其他處理操作。當read的響應到達時，就會產生一個信號或執行一個基於線程的回調函數來完成這次I/O處理過程。
在一個進程張總為了執行多個I/O請求而對計算操作和I/O處理進行重疊處理的能力利用了處理速度之間的差異。當一個或多個I/O請求掛起時，CPU可以執行其他任務；或者更為常見是，在發起其他I/O的同時對已經完成的I/O進行操作。
下節將深入介紹這種模型，探索這個模型使用的API，然后展示幾個命令。
異步I/O的動機
從前面的I/O模型的分類中，我們可以看出AIO的動機。這種阻塞模型需要在I/O操作開始時阻塞應用程序。這意味着不可能同時重疊進行處理和I/O操作。同步非阻塞模型允許處理和I/O操作重疊進行，但是這需要應用程序根據重現的規則來檢查I/O操作的狀態。這樣剩下異步非阻塞I/O了，它允許處理和I/O操作重疊進行，包括I/O操作完成的通知。
除了需要阻塞之外，select函數所提供的功能（異步阻塞I/O）與AIO類似。不過，它是對通知事件進行阻塞，而不是對I/O調用進行阻塞。
LINUX上的AIO簡介
本節探索LINUX的異步I/O模型，從而幫助我們理解如何在應用程序中使用這種技術。
在傳統的I/O模型中，有一個使用唯一句柄標識的I/O通道。在UNIX中，這些句柄是文件描述符（這對等同與文件、管道、套接字等等）。
在阻塞I/O中，我們發起了一次傳輸操作，當傳輸操作完成或發生錯誤時，系統調用就會返回。
在異步非阻塞I/O中，我們可以同時發起多個傳輸操作。這需要每個傳輸操作都有唯一的上下文，這樣我們才能在它們完成時區分到底是哪個傳輸操作完成了。在AIO中，這是一個aiocb（AIO I/O Control Block）結構。這個結構包含了有關傳輸的所有信息，包括為數據准備的用戶緩沖區。在產生I/O（稱為完成）通知時，aiocb結構就被用來惟一標識所完成的I/O操作。這個API的展示顯示了如何使用它。
注：Linux 上的 AIO AIO 在 2.5 版本的內核中首次出現，現在已經是 2.6 版本的產品內核的一個標准特性了。
AIO API
AIO 接口的 API 非常簡單，但是它為數據傳輸提供了必需的功能，並給出了兩個不同的通知模型。表 1 給出了 AIO 的接口函數，本節稍后會更詳細進行介紹。
每個API函數都使用aiocb結構開始或檢查。這個結構有很多元素，但是清單1僅僅給出了需要（或可以）使用的元素。
sigevent結構告訴AIO在I/O操作完成時應該執行什么操作。我們將在AIO的展示中對結構進行探索。現在我們展示各個AIO的API函數是如何工作的，以及我們應該如何使用它們。
aio_read函數請求對一個有效的文件描述進行異步讀操作。這個文件描述可以表示一個文件、管道、套接字。aio_read函數原型如下：
int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
aio_read函數在請求進行排隊之后會立即返回。如果執行成功，返回值就為0；如果出現錯誤，返回值就為-1，並設置errno的值。
要執行讀操作，應用程序必須對aiocb結構初始化。下面這個簡短的例子就展現了如何填充aiocb請求結構，並使用aio_read來執行異步讀請求（現在暫時忽略通知）操作。它還展示了aio_error的用法，不過我們將稍后再作解釋。
在清單 2 中，在打開要從中讀取數據的文件之后，我們就清空了 aiocb 結構，然后分配一個數據緩沖區。並將對這個數據緩沖區的引用放到 aio_buf 中。然后，我們將 aio_nbytes 初始化成緩沖區的大小。並將 aio_offset 設置成 0（該文件中的第一個偏移量）。我們將 aio_fildes 設置為從中讀取數據的文件描述符。在設置這些域之后，就調用 aio_read 請求進行讀操作。我們然后可以調用 aio_error 來確定 aio_read 的狀態。只要狀態是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到狀態發生變化為止。現在，請求可能成功，也可能失敗。
注意使用這個 API 與標准的庫函數從文件中讀取內容是非常相似的。除了 aio_read 的一些異步特性之外，另外一個區別是讀操作偏移量的設置。在傳統的 read 調用中，偏移量是在文件描述符上下文中進行維護的。對於每個讀操作來說，偏移量都需要進行更新，這樣后續的讀操作才能對下一塊數據進行尋址。對於異步 I/O 操作來說這是不可能的，因為我們可以同時執行很多讀請求，因此必須為每個特定的讀請求都指定偏移量。
注：使用 AIO 接口來編譯程序
我們可以在 aio.h 頭文件中找到函數原型和其他需要的符號。在編譯使用這種接口的程序時，我們必須使用 POSIX 實時擴展庫（librt）。
aio_error
aio_error 函數被用來確定請求的狀態。其原型如下：
int aio_error(struct aiocb *aiocbp);
這個函數可以返回以下內容：
EINPROGRESS，說明請求尚未完成ECANCELLED，說明請求被應用程序取消了-1，說明發生了錯誤，具體錯誤原因可以查閱errn
aio_return
異步 I/O 和標准塊 I/O 之間的另外一個區別是我們不能立即訪問這個函數的返回狀態，因為我們並沒有阻塞在 read 調用上。在標准的 read 調用中，返回狀態是在該函數返回時提供的。但是在異步 I/O 中，我們要使用 aio_return 函數。這個函數的原型如下：
ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
只有在aio_error調用確定請求已經完成（可能成功，也可能發送了錯誤）之后，才會調用這個函數。aio_return的返回值就等價於同步情況中read或wirte系統調用的返回值（所傳輸的字節數，如果發生錯誤，返回值就為-1）。
aio_write
aio_write函數用來請求一個異步寫操作。其函數原型如下：
int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
aio_write 函數會立即返回，說明請求已經進行排隊（成功時返回值為 0，失敗時返回值為 -1，並相應地設置 errno）。
這與 read 系統調用類似，但是有一點不一樣的行為需要注意。回想一下對於 read 調用來說，要使用的偏移量是非常重要的。然而，對於 write 來說，這個偏移量只有在沒有設置 O_APPEND 選項的文件上下文中才會非常重要。如果設置了 O_APPEND，那么這個偏移量就會被忽略，數據都會被附加到文件的末尾。否則，aio_offset 域就確定了數據在要寫入的文件中的偏移量。
aio_suspend
我們可以使用 aio_suspend 函數來掛起（或阻塞）調用進程，直到異步請求完成為止，此時會產生一個信號，或者發生其他超時操作。調用者提供了一個 aiocb 引用列表，其中任何一個完成都會導致 aio_suspend 返回。 aio_suspend 的函數原型如下：
int aio_suspend(const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout);
aio_suspend的使用非常簡單。我們要提供一個aiocb引用列表。結果任何一個完成了，這個調用就會返回0，否則就會返回 -1，說明發生了錯誤。請參看清單 3。
注意，aio_suspend 的第二個參數是 cblist 中元素的個數，而不是 aiocb 引用的個數。cblist 中任何 NULL 元素都會被 aio_suspend 忽略。
如果為 aio_suspend 提供了超時，而超時情況的確發生了，那么它就會返回 -1，errno 中會包含 EAGAIN。
aio_cancel
aio_cancel 函數允許我們取消對某個文件描述符執行的一個或所有 I/O 請求。其原型如下：
int aio_cancel(int fd, struct aiocb *aiocb);
要取消一個請求，我們需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果這個請求被成功取消了，那么這個函數就會返回 AIO_CANCELED。如果請求完成了，這個函數就會返回 AIO_NOTCANCELED。
要取消對某個給定文件描述符的所有請求，我們需要提供這個文件的描述符，以及一個對 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的請求都取消了，這個函數就會返回 AIO_CANCELED；如果至少有一個請求沒有被取消，那么這個函數就會返回 AIO_NOT_CANCELED；如果沒有一個請求可以被取消，那么這個函數就會返回 AIO_ALLDONE。我們然后可以使用 aio_error 來驗證每個 AIO 請求。如果這個請求已經被取消了，那么 aio_error 就會返回 -1，並且 errno 會被設置為 ECANCELED。
lio_listio
最后，AIO 提供了一種方法使用 lio_listio API 函數同時發起多個傳輸。這個函數非常重要，因為這意味着我們可以在一個系統調用（一次內核上下文切換）中啟動大量的 I/O 操作。從性能的角度來看，這非常重要，因此值得我們花點時間探索一下。lio_listio API 函數的原型如下：
int lio_listio(int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig);
mode 參數可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。LIO_WAIT 會阻塞這個調用，直到所有的 I/O 都完成為止。在操作進行排隊之后，LIO_NOWAIT就會返回。list 是一個 aiocb 引用的列表，最大元素的個數是由 nent 定義的。注意 list 的元素可以為 NULL，lio_listio 會將其忽略。sigevent 引用定義了在所有 I/O 操作都完成時產生信號的方法。
對於 lio_listio 的請求與傳統的 read 或 write 請求在必須指定的操作方面稍有不同，如清單 4 所示
對於讀操作來說，aio_lio_opcode 域的值為 LIO_READ。對於寫操作來說，我們要使用 LIO_WRITE，不過 LIO_NOP 對於不執行操作來說也是有效的。
AIO 通知
現在我們已經看過了可用的 AIO 函數，本節將深入介紹對異步通知可以使用的方法。我們將通過信號和函數回調來探索異步函數的通知機制。
使用信號進行異步通知
使用信號進行進程間通信（IPC）是 UNIX 中的一種傳統機制，AIO 也可以支持這種機制。在這種范例中，應用程序需要定義信號處理程序，在產生指定的信號時就會調用這個處理程序。應用程序然后配置一個異步請求將在請求完成時產生一個信號。作為信號上下文的一部分，特定的 aiocb 請求被提供用來記錄多個可能會出現的請求。清單 5 展示了這種通知方法。
清單 5. 使用信號作為 AIO 請求的通知
在清單 5 中，我們在 aio_completion_handler 函數中設置信號處理程序來捕獲 SIGIO 信號。然后初始化 aio_sigevent 結構產生 SIGIO信號來進行通知（這是通過 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定義來指定的）。當讀操作完成時，信號處理程序就從該信號的 si_value 結構中提取出 aiocb，並檢查錯誤狀態和返回狀態來確定 I/O 操作是否完成。
對於性能來說，這個處理程序也是通過請求下一次異步傳輸而繼續進行 I/O 操作的理想地方。采用這種方式，在一次數據傳輸完成時，我們就可以立即開始下一次數據傳輸操作。
使用回調函數進行異步通知
另外一種通知方式是系統回調函數。這種機制不會為通知而產生一個信號，而是會調用用戶空間的一個函數來實現通知功能。我們在 sigevent結構中設置了對 aiocb 的引用，從而可以惟一標識正在完成的特定請求。請參看清單 6。
在清單 6 中，在創建自己的 aiocb 請求之后，我們使用 SIGEV_THREAD 請求了一個線程回調函數來作為通知方法。然后我們將指定特定的通知處理程序，並將要傳輸的上下文加載到處理程序中（在這種情況中，是個對 aiocb 請求自己的引用）。在這個處理程序中，我們簡單地引用到達的 sigval 指針並使用 AIO 函數來驗證請求已經完成。
對 AIO 進行系統優化
proc 文件系統包含了兩個虛擬文件，它們可以用來對異步 I/O 的性能進行優化：
- /proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系統范圍異步 I/O 請求現在的數目。
- /proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允許的並發請求的最大個數。最大個數通常是 64KB，這對於大部分應用程序來說都已經足夠了。
結束語
使用異步 I/O 可以幫助我們構建 I/O 速度更快、效率更高的應用程序。如果我們的應用程序可以對處理和 I/O 操作重疊進行，那么 AIO 就可以幫助我們構建可以更高效地使用可用 CPU 資源的應用程序。盡管這種 I/O 模型與在大部分 Linux 應用程序中使用的傳統阻塞模式都不同，但是異步通知模型在概念上來說卻非常簡單，可以簡化我們的設計。