Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）

ゝ一纸荒年。 2023-01-13 09:38 165阅读 0赞

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## 什么是异步 IO？ ##

异步 IO：当应用程序发起一个 IO 操作后，调用者不能立刻得到结果，而是在内核完成 IO 操作后，通过信号或回调来通知调用者。

异步 IO 与同步 IO 的区别如图所示：

![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO]

从上图可知，同步 IO 必须等待内核把 IO 操作处理完成后才返回。而异步 IO 不必等待 IO 操作完成，而是向内核发起一个 IO 操作就立刻返回，当内核完成 IO 操作后，会通过信号的方式通知应用程序。

## Linux 原生 AIO 原理 ##

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。

本文主要介绍 Linux 原生 AIO 的原理和实现，所以不会对其他第三方的异步 IO 库进行分析，下面我们先来介绍 Linux 原生 AIO 的原理。

如图所示：

![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO 1]

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。

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![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO 2]

## Linux原生AIO实现 ##

一般来说，使用 Linux 原生 AIO 需要 3 个步骤：

1.  调用 io\_setup 函数创建一个一般 IO 上下文。
2.  调用 io\_submit 函数向内核提交一个异步 IO 操作。
3.  调用 io\_getevents 函数获取异步 IO 操作结果。  
    所以，我们可以通过分析这三个函数的实现来理解 Linux 原生 AIO 的实现。

Linux 原生 AIO 实现在源码文件 /fs/aio.c 中。

**创建异步IO上下文**

要使用 Linux 原生 AIO，首先需要创建一个异步 IO 上下文，在内核中，异步 IO 上下文使用 kioctx 结构表示，定义如下：

struct kioctx { 
        atomic_t                users;    // 引用计数器
        int                     dead;     // 是否已经关闭
        struct mm_struct        *mm;      // 对应的内存管理对象
    
        unsigned long           user_id;  // 唯一的ID，用于标识当前上下文, 返回给用户
        struct kioctx           *next;
    
        wait_queue_head_t       wait;     // 等待队列
        spinlock_t              ctx_lock; // 锁
    
        int                     reqs_active; // 正在进行的异步IO请求数
        struct list_head        active_reqs; // 正在进行的异步IO请求对象
        struct list_head        run_list;
    
        unsigned                max_reqs;  // 最大IO请求数
    
        struct aio_ring_info    ring_info; // 环形缓冲区
    
        struct work_struct      wq;
    };

在 kioctx 结构中，比较重要的成员为 active\_reqs 和 ring\_info。active\_reqs 保存了所有正在进行的异步 IO 操作，而 ring\_info 成员用于存放异步 IO 操作的结果。

kioctx 结构如图所示：

![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO 3]

如上图所示，active\_reqs 成员保存的异步 IO 操作队列是以 kiocb 结构为单元的，而 ring\_info 成员指向一个类型为 aio\_ring\_info 结构的环形缓冲区（Ring Buffer）。

所以我们先来看看 kiocb 结构和 aio\_ring\_info 结构的定义：

struct kiocb { 
        ...
        struct file         *ki_filp;      // 异步IO操作的文件对象
        struct kioctx       *ki_ctx;       // 指向所属的异步IO上下文
        ...
        struct list_head    ki_list;       // 用于连接所有正在进行的异步IO操作对象
        __u64               ki_user_data;  // 用户提供的数据指针(可用于区分异步IO操作)
        loff_t              ki_pos;        // 异步IO操作的文件偏移量
        ...
    };

kiocb 结构比较简单，主要用于保存异步 IO 操作的一些信息，如：

*  ki\_filp：用于保存进行异步 IO 的文件对象。
 *  ki\_ctx：指向所属的异步 IO 上下文对象。
 *  ki\_list：用于连接当前异步 IO 上下文中的所有 IO 操作对象。
 *  ki\_user\_data：这个字段主要提供给用户自定义使用，比如区分异步 IO 操作，或者设置一个回调函数等。
 *  ki\_pos：用于保存异步 IO 操作的文件偏移量。

而 aio\_ring\_info 结构是一个环形缓冲区的实现，其定义如下：

struct aio_ring_info { 
        unsigned long       mmap_base;     // 环形缓冲区的虚拟内存地址
        unsigned long       mmap_size;     // 环形缓冲区的大小
    
        struct page         **ring_pages;  // 环形缓冲区所使用的内存页数组
        spinlock_t          ring_lock;     // 保护环形缓冲区的自旋锁
        long                nr_pages;      // 环形缓冲区所占用的内存页数
    
        unsigned            nr, tail;
    
        // 如果环形缓冲区不大于 8 个内存页时
        // ring_pages 就指向 internal_pages 字段
    #define AIO_RING_PAGES 8
        struct page         *internal_pages[AIO_RING_PAGES]; 
    };

这个环形缓冲区主要用于保存已经完成的异步 IO 操作的结果，异步 IO 操作的结果使用 io\_event 结构表示。如图所示：

![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO 4]

图中的 head 代表环形缓冲区的开始位置，而 tail 代表环形缓冲区的结束位置，如果 tail 大于 head，则表示有完成的异步 IO 操作结果可以获取。如果 head 等于 tail，则表示没有完成的异步 IO 操作。

环形缓冲区的 head 和 tail 位置保存在 aio\_ring 的结构中，其定义如下：

struct aio_ring { 
        unsigned    id;
        unsigned    nr;    // 环形缓冲区可容纳的 io_event 数
        unsigned    head;  // 环形缓冲区的开始位置
        unsigned    tail;  // 环形缓冲区的结束位置
        ...
    };

上面介绍了那么多数据结构，只是为了接下来的源码分析更加容易明白。

现在，我们开始分析异步 IO 上下文的创建过程，异步 IO 上下文的创建通过调用 io\_setup 函数完成，而 io\_setup 函数会调用内核函数 sys\_io\_setup，其实现如下：

asmlinkage long sys_io_setup(unsigned nr_events, aio_context_t *ctxp)
    { 
        struct kioctx *ioctx = NULL;
        unsigned long ctx;
        long ret;
        ...
        ioctx = ioctx_alloc(nr_events);  // 调用 ioctx_alloc 函数创建异步IO上下文
        ret = PTR_ERR(ioctx);
        if (!IS_ERR(ioctx)) { 
            ret = put_user(ioctx->user_id, ctxp); // 把异步IO上下文的标识符返回给调用者
            if (!ret)
                return 0;
            io_destroy(ioctx);
        }
    out:
        return ret;
    }

sys\_io\_setup 函数的实现比较简单，首先调用 ioctx\_alloc 申请一个异步 IO 上下文对象，然后把异步 IO 上下文对象的标识符返回给调用者。

所以，sys\_io\_setup 函数的核心过程是调用 ioctx\_alloc 函数，我们继续分析 ioctx\_alloc 函数的实现：

static struct kioctx *ioctx_alloc(unsigned nr_events)
    { 
        struct mm_struct *mm;
        struct kioctx *ctx;
        ...
        ctx = kmem_cache_alloc(kioctx_cachep, GFP_KERNEL); // 申请一个 kioctx 对象
        ...
        INIT_LIST_HEAD(&ctx->active_reqs);                 // 初始化异步 IO 操作队列
        ...
        if (aio_setup_ring(ctx) < 0)                       // 初始化环形缓冲区
            goto out_freectx;
        ...
        return ctx;
        ...
    }

ioctx\_alloc 函数主要完成以下工作：

*  调用 kmem\_cache\_alloc 函数向内核申请一个异步 IO 上下文对象。
 *  初始化异步 IO 上下文各个成员变量，如初始化异步 IO 操作队列。
 *  调用 aio\_setup\_ring 函数初始化环形缓冲区。

环形缓冲区初始化函数 aio\_setup\_ring 的实现有点小复杂，主要涉及内存管理的知识点，所以这里跳过这部分的分析。

**提交异步 IO 操作**

提交异步 IO 操作是通过 io\_submit 函数完成的，io\_submit 需要提供一个类型为 iocb 结构的数组，表示要进行的异步 IO 操作相关的信息，我们先来看看 iocb 结构的定义：

struct iocb { 
        __u64   aio_data;       // 用户自定义数据, 可用于标识IO操作或者设置回调函数
        ...
        __u16   aio_lio_opcode; // IO操作类型, 如读(IOCB_CMD_PREAD)或者写(IOCB_CMD_PWRITE)操作
        __s16   aio_reqprio;
        __u32   aio_fildes;     // 进行IO操作的文件句柄
        __u64   aio_buf;        // 进行IO操作的缓冲区(如写操作的话就是写到文件的数据)
        __u64   aio_nbytes;     // 缓冲区的大小
        __s64   aio_offset;     // IO操作的文件偏移量
        ...
    };

io\_submit 函数最终会调用内核函数 sys\_io\_submit 来实现提供异步 IO 操作，我们来分析 sys\_io\_submit 函数的实现：

asmlinkage long
    sys_io_submit(aio_context_t ctx_id, long nr, 
                  struct iocb __user **iocbpp)
    { 
        struct kioctx *ctx;
        long ret = 0;
        int i;
        ...
        ctx = lookup_ioctx(ctx_id); // 通过异步IO上下文标识符获取异步IO上下文对象
        ...
        for (i = 0; i < nr; i++) { 
            struct iocb __user *user_iocb;
            struct iocb tmp;
    
            if (unlikely(__get_user(user_iocb, iocbpp+i))) { 
                ret = -EFAULT;
                break;
            }
    
            // 从用户空间复制异步IO操作到内核空间
            if (unlikely(copy_from_user(&tmp, user_iocb, sizeof(tmp)))) { 
                ret = -EFAULT;
                break;
            }
    
            // 调用 io_submit_one 函数提交异步IO操作
            ret = io_submit_one(ctx, user_iocb, &tmp);
            if (ret)
                break;
        }
    
        put_ioctx(ctx);
        return i ? i : ret;
    }

sys\_io\_submit 函数的实现比较简单，主要从用户空间复制异步 IO 操作信息到内核空间，然后调用 io\_submit\_one 函数提交异步 IO 操作。我们重点分析 io\_submit\_one 函数的实现：

int io_submit_one(struct kioctx *ctx, 
                      struct iocb __user *user_iocb,
                      struct iocb *iocb)
    { 
        struct kiocb *req;
        struct file *file;
        ssize_t ret;
        char *buf;
        ...
        file = fget(iocb->aio_fildes);      // 通过文件句柄获取文件对象
        ...
        req = aio_get_req(ctx);             // 获取一个异步IO操作对象
        ...
        req->ki_filp = file;                // 要进行异步IO的文件对象
        req->ki_user_obj = user_iocb;       // 指向用户空间的iocb对象
        req->ki_user_data = iocb->aio_data; // 设置用户自定义数据
        req->ki_pos = iocb->aio_offset;     // 设置异步IO操作的文件偏移量
    
        buf = (char *)(unsigned long)iocb->aio_buf; // 要进行异步IO操作的数据缓冲区
    
        // 根据不同的异步IO操作类型来进行不同的处理
        switch (iocb->aio_lio_opcode) { 
        case IOCB_CMD_PREAD: // 异步读操作
            ...
            ret = -EINVAL;
            // 发起异步IO操作, 会根据不同的文件系统调用不同的函数:
            // 如ext3文件系统会调用 generic_file_aio_read 函数
            if (file->f_op->aio_read)
                ret = file->f_op->aio_read(req, buf, iocb->aio_nbytes, req->ki_pos);
            break;
        ...
        }
        ...
        // 异步IO操作或许会在调用 aio_read 时已经完成, 或者会被添加到IO请求队列中。
        // 所以, 如果异步IO操作被提交到IO请求队列中, 直接返回
        if (likely(-EIOCBQUEUED == ret)) return 0;
    
        aio_complete(req, ret, 0); // 如果IO操作已经完成, 调用 aio_complete 函数完成收尾工作
        return 0;
    }

上面代码已经对 io\_submit\_one 函数进行了详细的注释，这里总结一下 io\_submit\_one 函数主要完成的工作：

*  通过调用 fget 函数获取文件句柄对应的文件对象。
 *  调用 aio\_get\_req 函数获取一个类型为 kiocb 结构的异步 IO操作对象，这个结构前面已经分析过。另外，aio\_get\_req 函数还会把异步 IO 操作对象添加到异步 IO 上下文的active\_reqs 队列中。
 *  根据不同的异步 IO 操作类型来进行不同的处理，如 异步读操作 会调用文件对象的 aio\_read 方法来进行处理。不同的文件系统，其aio\_read 方法的实现不一样，如 Ext3 文件系统的 aio\_read 方法会指向 generic\_file\_aio\_read函数。
 *  如果异步 IO 操作被添加到内核的 IO 请求队列中，那么就直接返回。否则就代表 IO 操作已经完成，那么就调用 aio\_complete  
    函数完成收尾工作。

io\_submit\_one 函数的操作过程如图所示：

![Linux原生异步IO原理与实现（Native AIO）][Linux_IO_Native AIO 5]

所以，io\_submit\_one 函数的主要任务就是向内核提交 IO 请求。

异步 IO 操作完成

当异步 IO 操作完成后，内核会调用 aio\_complete 函数来把处理结果放进异步 IO 上下文的环形缓冲区 ring\_info 中，我们来分析一下 aio\_complete 函数的实现：

int aio_complete(struct kiocb *iocb, long res, long res2)
    { 
        struct kioctx *ctx = iocb->ki_ctx;
        struct aio_ring_info *info;
        struct aio_ring *ring;
        struct io_event *event;
        unsigned long flags;
        unsigned long tail;
        int ret;
        ...
        info = &ctx->ring_info; // 环形缓冲区对象
    
        spin_lock_irqsave(&ctx->ctx_lock, flags);         // 对异步IO上下文进行上锁
        ring = kmap_atomic(info->ring_pages[0], KM_IRQ1); // 对内存页进行虚拟内存地址映射
    
        tail = info->tail;                           // 环形缓冲区下一个空闲的位置
        event = aio_ring_event(info, tail, KM_IRQ0); // 从环形缓冲区获取空闲的位置保存结果
        tail = (tail + 1) % info->nr;                // 更新下一个空闲的位置
    
        // 保存异步IO结果到环形缓冲区中
        event->obj = (u64)(unsigned long)iocb->ki_user_obj;
        event->data = iocb->ki_user_data;
        event->res = res;
        event->res2 = res2;
        ...
        info->tail = tail;
        ring->tail = tail; // 更新环形缓冲区下一个空闲的位置
    
        put_aio_ring_event(event, KM_IRQ0); // 解除虚拟内存地址映射
        kunmap_atomic(ring, KM_IRQ1);       // 解除虚拟内存地址映射
    
        // 释放异步IO对象
        ret = __aio_put_req(ctx, iocb);
        spin_unlock_irqrestore(&ctx->ctx_lock, flags);
        ...
        return ret;
    }

aio\_complete 函数的 iocb 参数是我们通过调用 io\_submit\_once 函数提交的异步 IO 对象，而参数 res 和 res2 是用内核进行 IO 操作完成后返回的结果。

aio\_complete 函数的主要工作如下：

*  根据环形缓冲区的 tail 指针获取一个空闲的 io\_event 对象来保存 IO 操作的结果。
 *  对环形缓冲区的 tail 指针进行加一操作，指向下一个空闲的位置。

当把异步 IO 操作的结果保存到环形缓冲区后，用户层就可以通过调用 io\_getevents 函数来读取 IO 操作的结果，io\_getevents 函数最终会调用 sys\_io\_getevents 函数。

我们来分析 sys\_io\_getevents 函数的实现：

asmlinkage long sys_io_getevents(aio_context_t ctx_id,
                                     long min_nr,
                                     long nr,
                                     struct io_event *events,
                                     struct timespec *timeout)
    { 
        struct kioctx *ioctx = lookup_ioctx(ctx_id);
        long ret = -EINVAL;
        ...
        if (likely(NULL != ioctx)) { 
            // 调用 read_events 函数读取IO操作的结果
            ret = read_events(ioctx, min_nr, nr, events, timeout);
            put_ioctx(ioctx);
        }
        return ret;
    }

从上面的代码可以看出，sys\_io\_getevents 函数主要调用 read\_events 函数来读取异步 IO 操作的结果，我们接着分析 read\_events 函数：

static int read_events(struct kioctx *ctx,
                          long min_nr, long nr,
                          struct io_event *event,
                          struct timespec *timeout)
    { 
        long start_jiffies = jiffies;
        struct task_struct *tsk = current;
        DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);
        int ret;
        int i = 0;
        struct io_event ent;
        struct timeout to;
    
        memset(&ent, 0, sizeof(ent));
        ret = 0;
    
        while (likely(i < nr)) { 
            ret = aio_read_evt(ctx, &ent); // 从环形缓冲区中读取一个IO处理结果
            if (unlikely(ret <= 0))        // 如果环形缓冲区没有IO处理结果, 退出循环
                break;
    
            ret = -EFAULT;
            // 把IO处理结果复制到用户空间
            if (unlikely(copy_to_user(event, &ent, sizeof(ent)))) { 
                break;
            }
    
            ret = 0;
            event++;
            i++;
        }
    
        if (min_nr <= i)
            return i;
        if (ret)
            return ret;
        ...
    }

read\_events 函数主要还是调用 aio\_read\_evt 函数来从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，如果读取成功，就把结果复制到用户空间中。

aio\_read\_evt 函数是从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，其实现如下：

static int aio_read_evt(struct kioctx *ioctx, struct io_event *ent)
    { 
        struct aio_ring_info *info = &ioctx->ring_info;
        struct aio_ring *ring;
        unsigned long head;
        int ret = 0;
    
        ring = kmap_atomic(info->ring_pages[0], KM_USER0);
    
        // 如果环形缓冲区的head指针与tail指针相等, 代表环形缓冲区为空, 所以直接返回
        if (ring->head == ring->tail) 
            goto out;
    
        spin_lock(&info->ring_lock);
    
        head = ring->head % info->nr;
        if (head != ring->tail) { 
            // 根据环形缓冲区的head指针从环形缓冲区中读取结果
            struct io_event *evp = aio_ring_event(info, head, KM_USER1);
    
            *ent = *evp;                  // 将结果保存到ent参数中
            head = (head + 1) % info->nr; // 移动环形缓冲区的head指针到下一个位置
            ring->head = head;            // 保存环形缓冲区的head指针
            ret = 1;
            put_aio_ring_event(evp, KM_USER1);
        }
    
        spin_unlock(&info->ring_lock);
    
    out:
        kunmap_atomic(ring, KM_USER0);
        return ret;
    }

aio\_read\_evt 函数的主要工作就是判断环形缓冲区是否为空，如果不为空就从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，并且保存到参数 ent 中，并且移动环形缓冲区的 head 指针到下一个位置。

## 总结 ##

本文主要分析了 Linux 原生 AIO 的原理及实现，但为了不陷入太多的实现细节中，本文并没有涉及到磁盘 IO 相关的知识点。然而磁盘 IO 也是 AIO 实现中不可或缺的一部分，所以有兴趣的朋友可以通过阅读 Linux 的源码来分析其实现原理。

[linux]: https://www.bilibili.com/video/BV1kt4y1v7Lj/
[io_redis_memcached_nginx]: https://www.bilibili.com/video/BV1Jh41117mG/
[c_c_ linux]: https://ke.qq.com/course/417774?flowToken=1013300
[Linux_IO_Native AIO]: /images/20221022/525bb88363a34cef85de269e2b4503a7.png
[Linux_IO_Native AIO 1]: /images/20221022/ee619d6f713f408384c967b01f0d040a.png
[Linux_IO_Native AIO 2]: /images/20221022/4cc307c29f4844efa0d6c33b89d9e7b2.png
[Linux_IO_Native AIO 3]: /images/20221022/1374427f88c14ce7bd49dd69b5348fc2.png
[Linux_IO_Native AIO 4]: /images/20221022/f04e52747aa141d2bcf28a816d412df9.png
[Linux_IO_Native AIO 5]: /images/20221022/cf89f1c86e034f168a8197075d5867aa.png