如何使用 io_uring 轻松实现异步 I/O 操作？

2024-03-17 06:55:37

如何使用 io_uring 实现异步 I/O 操作

前言

异步 I/O 操作已成为现代应用程序的必备功能。它使应用程序能够重叠 I/O 操作，从而最大限度地提高性能。io_uring 是一种基于轮询的 I/O 系统，允许应用程序以高效且可扩展的方式提交和轮询 I/O 请求。本文将深入探讨如何使用 io_uring 实现异步读/写操作，解决您可能遇到的疑惑，并提供一个示例代码以供参考。

io_uring 概述

io_uring 是一种基于轮询的 I/O 系统，允许应用程序提交一组 I/O 请求并轮询它们的状态。它通过使用固定大小的队列来存储请求符（SQEs）和完成队列（CQs）来实现这一点，其中包含请求完成时的状态。应用程序可以通过提交请求符来向内核提交 I/O 请求。这些请求描述符指定 I/O 操作的类型、文件描述符、缓冲区地址和长度等信息。

提交和轮询 I/O 请求

要提交 I/O 请求，应用程序向 SQE 队列中添加一个条目。内核会将此请求分配给内核线程。一旦内核线程完成请求，它将状态更新写入 CQ。应用程序可以通过轮询 CQ 来获取已完成请求的状态。io_uring 提供了几个轮询函数，例如 io_uring_wait_cqe() 和 io_uring_wait_cqe_timeout()，允许应用程序阻塞或非阻塞地轮询请求。

核心调度与内核线程

io_uring 内核线程可以在任何可用核心上运行。内核调度程序负责将线程分配给核心。调度程序的策略是根据负载均衡和优先级来做出决定的。因此，无法保证内核线程会在哪个特定核心上运行。

示例代码

以下代码示例演示了如何使用 io_uring 提交和轮询 I/O 请求：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/io_uring.h>

int main() {
  // 创建 io_uring 实例
  struct io_uring ring;
  int ret = io_uring_setup(32, &ring);
  if (ret < 0) {
    perror("io_uring_setup");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  // 创建要写入文件的描述符
  int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
  if (fd < 0) {
    perror("open");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  // 创建要写入的数据缓冲区
  char *buffer = "Hello, world!";

  // 提交 I/O 请求
  struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
  io_uring_prep_writev(sqe, fd, &buffer, 1, 0);
  io_uring_sqe_set_flags(sqe, IOSQE_FIXED_FILE);

  // 提交 I/O 请求
  ret = io_uring_submit(&ring);
  if (ret < 0) {
    perror("io_uring_submit");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  // 轮询 I/O 请求
  struct io_uring_cqe *cqe;
  while ((ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe)) != -EAGAIN) {
    if (ret < 0) {
      perror("io_uring_wait_cqe");
      return EXIT_FAILURE;
    }

    // 处理 I/O 请求
    if (cqe->res < 0) {
      fprintf(stderr, "I/O error: %s\n", strerror(-cqe->res));
    }

    // 释放 I/O 请求
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
  }

  // 关闭文件描述符
  close(fd);

  // 注销 io_uring 实例
  io_uring_queue_exit(&ring);

  return EXIT_SUCCESS;
}

常见问题解答

1. io_uring 与 epoll 有什么区别？

io_uring 是基于轮询的 I/O 系统，而 epoll 是基于事件的 I/O 系统。io_uring 通过使用固定大小的队列来存储请求描述符和完成队列来实现。相比之下，epoll 使用红黑树来存储文件描述符和关联的事件。io_uring 通常被认为比 epoll 更有效，因为它可以更好地利用多核处理器。

2. io_uring 适用于哪些用例？

io_uring 适用于需要高性能 I/O 的用例，例如 Web 服务器、数据库服务器和网络应用程序。它特别适用于需要处理大量并发连接的应用程序。

3. 我可以在 Windows 上使用 io_uring 吗？

目前，io_uring 仅适用于 Linux 操作系统。Windows 没有类似的基于轮询的 I/O 系统。

4. 使用 io_uring 的最佳实践是什么？

使用 io_uring 的最佳实践包括：