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linux服务器性能优化之异步的原理与实现

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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：

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 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：

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：

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：

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。