[转载]使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能

使用异步I/O大大提高应用程序的性能

学习何时以及如何使用POSIX AIO API

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

级别：中级

M. Tim Jones(mtj@mtjones.com),顾问工程师, Emulex

2006年9月28日

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请求完成时不需要使用任何中央处理单元（CPU）。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。

I/O模型

在深入介绍AIO API之前，让我们先来探索一下Linux上可以使用的不同I/O模型。这并不是一个详尽的介绍，但是我们将试图介绍最常用的一些模型来解释它们与异步I/O之间的区别。图1给出了同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

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图1.基本Linux I/O模型的简单矩阵
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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，这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）。调用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。然后应用程序就会解除阻塞（read调用返回）。

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图2.同步阻塞I/O模型的典型流程ITPUB个人空间[dM Xh8}3i

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。

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图3.同步非阻塞I/O模型的典型流程ITPUB个人空间N-J:B%f@L

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。在这种模型中，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。

0~b(kx0M$qN5|X~0图4.异步阻塞I/O模型的典型流程(select)
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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）

最后，异步非阻塞I/O模型是一种处理与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，应用程序然后会执行其他处理操作。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。

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图5.异步非阻塞I/O模型的典型流程ITPUB个人空间#a$`8GC9ts0[u7w

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处理进行重叠处理的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。

下一节将深入介绍这种模型，探索这种模型使用的API，然后展示几个命令。

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。这意味着不可能同时重叠进行处理和I/O操作。同步非阻塞模型允许处理和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，