一、概念

异步I/O模型：是进程通过系统调用告知内核启动某个I/O操作，内核启动I/O操作后立刻返回到进程，进程在I/O操作发生期间继续执行程序，当IO操作完成或遭遇错误时，内核以进程在I/O系统调用中指定的某种方式通知进程操作结果。

二、流程

说明：首先用户态进程告诉内核态需要什么数据，然后用户态进程继续执行程序，内核等待用户态需要的数据准备好，然后将数据复制到用户空间，操作完成后才告诉用户态进程结果，然后用户态进程直接处理用户空间的数据。

注意：将数据由内核缓存复制到用户态缓存的过程是内核进行，用户态进程是不阻塞的（用户进程不参与）。在复制数据到用户空间这个时间段内，用户态进程在正常执行程序。

三、举例说明

Linux原生aio

Linux Native AIO 是 Linux 支持的原生 AIO，为什么要加原生这个词呢？因为Linux存在很多第三方的异步 IO 库，如 libeio 和 glibc AIO。所以为了加以区别，Linux 的内核提供的异步 IO 就称为原生异步 IO。

很多第三方的异步 IO 库都不是真正的异步 IO，而是使用多线程来模拟异步 IO，如 libeio 就是使用多线程来模拟异步 IO 的。

Linux 原生 AIO 处理流程：

当应用程序调用 io_submit 系统调用发起一个异步 IO 操作后，会向内核的 IO 任务队列中添加一个 IO 任务，并且返回成功。
内核会在后台处理 IO 任务队列中的 IO 任务，然后把处理结果存储在 IO 任务中。
应用程序可以调用 io_getevents 系统调用来获取异步 IO 的处理结果，如果 IO 操作还没完成，那么返回失败信息，否则会返回 IO 处理结果。

从上面的流程可以看出，Linux 的异步 IO 操作主要由两个步骤组成：

1) 调用 io_submit 函数发起一个异步 IO 操作。
2) 调用 io_getevents 函数获取异步 IO 的结果。

实现代码：

#define _GNU_SOURCE#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <libaio.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define FILEPATH "./aio.txt"int main()
{io_context_t context;struct iocb io[1], *p[1] = {&io[0]};struct io_event e[1];unsigned nr_events = 10;struct timespec timeout;char *wbuf;int wbuflen = 1024;int ret, num = 0, i;posix_memalign((void **)&wbuf, 512, wbuflen);memset(wbuf, '@', wbuflen);memset(&context, 0, sizeof(io_context_t));timeout.tv_sec = 0;timeout.tv_nsec = 10000000;int fd = open(FILEPATH, O_CREAT|O_RDWR|O_DIRECT, 0644); // 1. 打开要进行异步IO的文件if (fd < 0) {printf("open error: %d\n", errno);return 0;}if (0 != io_setup(nr_events, &context)) {               // 2. 创建一个异步IO上下文printf("io_setup error: %d\n", errno);return 0;}io_prep_pwrite(&io[0], fd, wbuf, wbuflen, 0);           // 3. 创建一个异步IO任务if ((ret = io_submit(context, 1, p)) != 1) {            // 4. 提交异步IO任务printf("io_submit error: %d\n", ret);io_destroy(context);return -1;}while (1) {ret = io_getevents(context, 1, 1, e, &timeout);     // 5. 获取异步IO的结果if (ret < 0) {printf("io_getevents error: %d\n", ret);break;}if (ret > 0) {printf("result, res2: %d, res: %d\n", e[0].res2, e[0].res);break;}}return 0;
}

上面通过一个简单的例子来展示了 Linux 原生 AIO 的使用过程，主要有以下步骤：

通过调用 open 系统调用打开要进行异步 IO 的文件，要注意的是 AIO 操作必须设置 O_DIRECT 直接 IO 标志位。
调用 io_setup 系统调用创建一个异步 IO 上下文。
调用 io_prep_pwrite 或者 io_prep_pread 函数创建一个异步写或者异步读任务。
调用 io_submit 系统调用把异步 IO 任务提交到内核。
调用 io_getevents 系统调用获取异步 IO 的结果。

在上面的例子中，我们获取异步 IO 操作的结果是在一个无限循环中进行的，其实 Linux 还支持一种基于 eventfd 事件通知的机制，可以通过 eventfd 和 epoll 结合来实现事件驱动的方式来获取异步 IO 操作的结果，有兴趣可以查阅相关的内容。

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