linux下aio异步读写详解与实例

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 1024int 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

(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 1025int 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 1024int 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 1025int 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 1025void 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sigeventrd.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