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        Linux中最常用的输入/输出（I/O）模型是同步I/O。在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足为止。这是很好的一种解决方案，因为调用应用程序在等待I/O请求完成时不需要占用任何CPU时间。但是在某些情况中，I/O请求可能需要与其他进程产生交叠。可移植操作系统接口（POSIX）异步I/O（AIO）应用程序接口（API）就提供了这种功能。在本文中，我们将对这个API概要进行介绍，并来了解一下如何使用它。

• AIO简介

        Linux异步I/O是Linux内核中提供的一个相当新的增强。它是2.6版本内核的一个标准特性，但是我们在2.4版本内核的补丁中也可以找到它。AIO背后的基本思想是允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到I/O操作完成的通知时，进程就可以检索I/O操作的结果。

图1  基本Linux I/O模型的简单矩阵

        每个I/O模型都有自己的使用模式，它们对于特定的应用程序都有自己的优点。本节将简要对其一一进行介绍。

• 同步阻塞I/O

        最常用的一个模型是同步阻塞I/O模型。在这个模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用，它会导致应用程序阻塞。这意味着应用程序会一直阻塞，直到系统调用完成为止（数据传输完成或发生错误）。执行系统调用的应用程序处于一种不再消费CPU而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。

        图2给出了传统的阻塞I/O模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用read系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中，接着应用程序就会解除阻塞（read调用返回）。

图2  同步阻塞I/O模型的典型流程

        从应用程序的角度来说，read调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

• 同步非阻塞I/O

        同步阻塞I/O的一种效率稍低的变种是同步非阻塞I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着I/O操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN或EWOULDBLOCK），如图3所示。

图3  同步非阻塞I/O模型的典型流程

        非阻塞的实现是I/O命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。正如图3所示的一样，这个方法可以引入I/O操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用read返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

• 异步阻塞I/O

        另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞I/O。在这个模型中，配置的是非阻塞I/O，然后使用阻塞select系统调用来确定一个I/O描述符何时有操作。使select调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

图4  异步阻塞I/O模型的典型流程（select）

        select调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的I/O操作来说不建议使用。

• 异步非阻塞I/O（AIO）

        异步非阻塞I/O模型是一种CPU处理与I/O重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明read请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序会执行其它处理操作。当read的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次I/O处理过程。

图5  异步非阻塞I/O模型的典型流程

        在一个进程中为了执行多个I/O请求而对计算操作和I/O处理进行重叠处理，这种能力利用了处理速度与I/O速度之间的差异。当一个或多个I/O请求挂起时，CPU可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他I/O的同时对已经完成的I/O进行操作。

• 异步I/O的动机

        从前面I/O模型的分类中，我们可以看出AIO的动机。这种阻塞模型需要在I/O操作开始时阻塞应用程序，这意味着不可以用时重叠进行CPU处理和I/O操作。同步非阻塞模型允许CPU处理和I/O操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查I/O操作的状态。这样就剩下异步非阻塞I/O了，它允许CPU处理和I/O操作重叠进行，包括I/O操作完成的通知。

        除了需要阻塞之外，select函数所提供的功能（异步阻塞I/O）与AIO类似。不过，它是对通知事件进行阻塞，而不是对I/O调用进行阻塞。

• Linux上的AIO简介

        本节将探索Linux的异步I/O模型，从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这项技术。在传统的I/O模型中，有一个使用唯一句柄的I/O通道。在UNIX中，这些句柄是文件描述符（这等同于文件、管道、套接字等等）。

        在阻塞I/O中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。

        在异步非阻塞I/O中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有唯一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在AIO中，这是一个aiocb（AIO I/O Control Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生I/O（称为完成）通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的I/O操作。这个API的展示显示了如何使用它。

• AIO API

        AIO接口的API非常简单，它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。以下是AIO的接口函数：

          1) aio_read，请求异步读操作。

          2) aio_error，检查异步请求的状态。

          3) aio_return，获得完成的异步请求的返回状态。

          4) aio_write，请求异步写操作。

          5) aio_suspend，挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）。

          6) aio_cancel，取消异步I/O请求。

          7) aio_listio，发起一系列I/O操作。