1.為什么會(huì)有異步I/O

aio異步讀寫是在linux內(nèi)核2.6之后才正式納入其標(biāo)準(zhǔn)。之所以會(huì)增加此模塊，是因?yàn)楸娝苤覀冇?jì)算機(jī)CPU的執(zhí)行速度遠(yuǎn)大于I/O讀寫的執(zhí)行速度，如果我們用傳統(tǒng)的阻塞式或非阻塞式來操作I/O的話，那么我們?cè)谕粋€(gè)程序中(不用多線程或多進(jìn)程)就不能同時(shí)操作倆個(gè)以上的文件I/O，每次只能對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行I/O操作，很明顯這樣效率很低下(因?yàn)镃PU速度遠(yuǎn)大于I/O操作的速度，所以當(dāng)執(zhí)行I/O時(shí)，CPU其實(shí)還可以做更多的事)。因此就誕生了相對(duì)高效的異步I/O

2.異步I/O的基本概念

所謂異步I/O即我們?cè)谡{(diào)用I/O操作時(shí)(讀或?qū)?我們的程序不會(huì)阻塞在當(dāng)前位置，而是在繼續(xù)往下執(zhí)行。例如當(dāng)我們調(diào)用異步讀API aio_read()時(shí)，程序執(zhí)行此代碼之后會(huì)接著運(yùn)行此函數(shù)下面的代碼，并且與此同時(shí)程序也在進(jìn)行剛才所要讀的文件的讀取工作，但是具體什么時(shí)候讀完是不確定的

3.異步aio的基本API

API函數(shù)說明

aio_read	異步讀操作
aio_write	異步寫操作
aio_error	檢查異步請(qǐng)求的狀態(tài)
aio_return	獲得異步請(qǐng)求完成時(shí)的返回值
aio_suspend	掛起調(diào)用進(jìn)程，直到一個(gè)或多個(gè)異步請(qǐng)求已完成
aio_cancel	取消異步請(qǐng)求
lio_list	發(fā)起一系列異步I/O請(qǐng)求

上述的每個(gè)API都要用aiocb結(jié)構(gòu)體賴進(jìn)行操作
aiocb的結(jié)構(gòu)中常用的成員有

struct aiocb {//要異步操作的文件描述符int aio_fildes;//用于lio操作時(shí)選擇操作何種異步I/O類型int aio_lio_opcode;//異步讀或?qū)懙木彌_區(qū)的緩沖區(qū)volatile void *aio_buf;//異步讀或?qū)懙淖止?jié)數(shù)size_t aio_nbytes;//異步通知的結(jié)構(gòu)體struct sigevent aio_sigevent; }

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4異步I/O操作的具體使用

(1)異步讀aio_read

aio_read函數(shù)請(qǐng)求對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行讀操作，所請(qǐng)求文件對(duì)應(yīng)的文件描述符可以是文件，套接字，甚至管道其原型如下

int aio_read(struct aiocb *paiocb);

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該函數(shù)請(qǐng)求對(duì)文件進(jìn)行異步讀操作，若請(qǐng)求失敗返回-1，成功則返回0，并將該請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，然后就開始對(duì)文件的異步讀操作
需要注意的是，我們得先對(duì)aiocb結(jié)構(gòu)體進(jìn)行必要的初始化
具體實(shí)例如下

aio_read

#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h>#define BUFFER_SIZE 1024int MAX_LIST = 2;int main(int argc,char **argv) {//aio操作所需結(jié)構(gòu)體struct aiocb rd;int fd,ret,couter;fd = open("test.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("test.txt");}//將rd結(jié)構(gòu)體清空bzero(&rd,sizeof(rd));//為rd.aio_buf分配空間rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);//填充rd結(jié)構(gòu)體rd.aio_fildes = fd;rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;rd.aio_offset = 0;//進(jìn)行異步讀操作ret = aio_read(&rd);if(ret < 0){perror("aio_read");exit(1);}couter = 0; // 循環(huán)等待異步讀操作結(jié)束while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS){printf("第%d次\n",++couter);}//獲取異步讀返回值ret = aio_return(&rd);printf("\n\n返回值為:%d",ret);return 0; }

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上述實(shí)例中aiocb結(jié)構(gòu)體用來表示某一次特定的讀寫操作，在異步讀操作時(shí)我們只需要注意4點(diǎn)內(nèi)容
1.確定所要讀的文件描述符，并寫入aiocb結(jié)構(gòu)體中(下面幾條一樣不再贅余)
2.確定讀所需的緩沖區(qū)
3.確定讀的字節(jié)數(shù)
4.確定文件的偏移量
總結(jié)以上注意事項(xiàng)：基本上和我們的read函數(shù)所需的條件相似，唯一的區(qū)別就是多一個(gè)文件偏移量

值得注意的是上述代碼中aio_error是用來獲取其參數(shù)指定的讀寫操作的狀態(tài)的
其原型如下

int aio_error(struct aiocb *aiopcb);

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當(dāng)其狀態(tài)處于EINPROGRESS則I/O還沒完成，當(dāng)處于ECANCELLED則操作已被取消，發(fā)生錯(cuò)誤返回-1

而aio_return則是用來返回其參數(shù)指定I/O操作的返回值
其原型如下

ssize_t aio_return(struct aiocb *paiocb);

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如果操作沒完成調(diào)用此函數(shù)，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤

特別提醒在編譯上述程序時(shí)必須在編譯時(shí)再加一個(gè)-lrt

上述代碼運(yùn)行結(jié)果如下

(2)異步寫aio_write

aio_writr用來請(qǐng)求異步寫操作
其函數(shù)原型如下

int aio_write(struct aiocb *paiocb);

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aio_write和aio_read函數(shù)類似，當(dāng)該函數(shù)返回成功時(shí)，說明該寫請(qǐng)求以進(jìn)行排隊(duì)(成功0，失敗-1)
其和aio_read調(diào)用時(shí)的區(qū)別是就是我們?nèi)绻诖蜷_文件是，flags設(shè)置了O_APPEND則我們?cè)谔畛鋋iocb時(shí)不需要填充它的偏移量了
具體實(shí)例如下

#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h>#define BUFFER_SIZE 1025int main(int argc,char **argv) {//定義aio控制塊結(jié)構(gòu)體struct aiocb wr;int ret,fd;char str[20] = {"hello,world"};//置零wr結(jié)構(gòu)體bzero(&wr,sizeof(wr));fd = open("test.txt",O_WRONLY | O_APPEND);if(fd < 0){perror("test.txt");}//為aio.buf申請(qǐng)空間wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);if(wr.aio_buf == NULL){perror("buf");}wr.aio_buf = str;//填充aiocb結(jié)構(gòu)wr.aio_fildes = fd;wr.aio_nbytes = 1024;//異步寫操作ret = aio_write(&wr);if(ret < 0){perror("aio_write");}//等待異步寫完成while(aio_error(&wr) == EINPROGRESS){printf("hello,world\n");}//獲得異步寫的返回值ret = aio_return(&wr);printf("\n\n\n返回值為:%d\n",ret);return 0; }

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具體運(yùn)行結(jié)果請(qǐng)讀者自己去試試

(3)使用aio_suspend阻塞異步I/O

aio_suspend函數(shù)可以時(shí)當(dāng)前進(jìn)程掛起，知道有向其注冊(cè)的異步事件完成為止
該函數(shù)原型如下

int aio_suspend(const struct aiocb *const cblist[],int n,const struct timespec *timeout);

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第一個(gè)參數(shù)是個(gè)保存了aiocb塊地址的數(shù)組，我們可以向其內(nèi)添加想要等待阻塞的異步事件，第二個(gè)參數(shù)為向cblist注冊(cè)的aiocb個(gè)數(shù),第三個(gè)參數(shù)為等待阻塞的超時(shí)事件，NULL為無限等待

具體使用如下
suspend:

#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h>#define BUFFER_SIZE 1024int MAX_LIST = 2;int main(int argc,char **argv) {//aio操作所需結(jié)構(gòu)體struct aiocb rd;int fd,ret,couter;//cblist鏈表struct aiocb *aiocb_list[2];fd = open("test.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("test.txt");}//將rd結(jié)構(gòu)體清空bzero(&rd,sizeof(rd));//為rd.aio_buf分配空間rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);//填充rd結(jié)構(gòu)體rd.aio_fildes = fd;rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;rd.aio_offset = 0;//將讀fd的事件注冊(cè)aiocb_list[0] = &rd;//進(jìn)行異步讀操作ret = aio_read(&rd);if(ret < 0){perror("aio_read");exit(1);}couter = 0; // 循環(huán)等待異步讀操作結(jié)束while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS){printf("第%d次\n",++couter);}printf("我要開始等待異步讀事件完成\n");//阻塞等待異步讀事件完成ret = aio_suspend(aiocb_list,MAX_LIST,NULL);//獲取異步讀返回值ret = aio_return(&rd);printf("\n\n返回值為:%d\n",ret);return 0; }

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(4)lio_listio函數(shù)

aio同時(shí)還為我們提供了一個(gè)可以發(fā)起多個(gè)或多種I/O請(qǐng)求的接口lio_listio
這個(gè)函數(shù)效率很高，因?yàn)槲覀冎恍枰淮蜗到y(tǒng)調(diào)用(一次內(nèi)核上下位切換)就可以完成大量的I/O操作
其函數(shù)原型如下

int lio_listio(int mode,struct aiocb *list[],int nent,struct sigevent *sig);

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第一個(gè)參數(shù)mode可以有倆個(gè)實(shí)參，LIO_WAIT和LIO_NOWAIT，前一個(gè)會(huì)阻塞該調(diào)用直到所有I/O都完成為止，后一個(gè)則會(huì)掛入隊(duì)列就返回

具體實(shí)例如下
lio_listio

#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h>#define BUFFER_SIZE 1025int MAX_LIST = 2;int main(int argc,char **argv) {struct aiocb *listio[2];struct aiocb rd,wr;int fd,ret;//異步讀事件fd = open("test1.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("test1.txt");}bzero(&rd,sizeof(rd));rd.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);if(rd.aio_buf == NULL){perror("aio_buf");}rd.aio_fildes = fd;rd.aio_nbytes = 1024;rd.aio_offset = 0;rd.aio_lio_opcode = LIO_READ; ///lio操作類型為異步讀//將異步讀事件添加到list中listio[0] = &rd;//異步些事件fd = open("test2.txt",O_WRONLY | O_APPEND);if(fd < 0){perror("test2.txt");}bzero(&wr,sizeof(wr));wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);if(wr.aio_buf == NULL){perror("aio_buf");}wr.aio_fildes = fd;wr.aio_nbytes = 1024;wr.aio_lio_opcode = LIO_WRITE; ///lio操作類型為異步寫//將異步寫事件添加到list中listio[1] = &wr;//使用lio_listio發(fā)起一系列請(qǐng)求ret = lio_listio(LIO_WAIT,listio,MAX_LIST,NULL);//當(dāng)異步讀寫都完成時(shí)獲取他們的返回值ret = aio_return(&rd);printf("\n讀返回值:%d",ret);ret = aio_return(&wr);printf("\n寫返回值:%d",ret);return 0; }

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5.I/O完成時(shí)進(jìn)行異步通知

當(dāng)我們的異步I/O操作完成之時(shí)，我們可以通過信號(hào)通知我們的進(jìn)程也可用回調(diào)函數(shù)來進(jìn)行異步通知，接下來我會(huì)為大家主要介紹以下回調(diào)函數(shù)來進(jìn)行異步通知，關(guān)于信號(hào)通知有興趣的同學(xué)自己去學(xué)習(xí)吧

使用回調(diào)進(jìn)行異步通知

該種通知方式使用一個(gè)系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)來通知應(yīng)用程序，要想完成此功能，我們必須在aiocb中設(shè)置我們想要進(jìn)行異步回調(diào)的aiocb指針，以用來回調(diào)之后表示其自身

實(shí)例如下
aio線程回調(diào)通知

#include<stdio.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<aio.h> #include<unistd.h>#define BUFFER_SIZE 1025void aio_completion_handler(sigval_t sigval) {//用來獲取讀aiocb結(jié)構(gòu)的指針struct aiocb *prd;int ret;prd = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;printf("hello\n");//判斷請(qǐng)求是否成功if(aio_error(prd) == 0){//獲取返回值ret = aio_return(prd);printf("讀返回值為:%d\n",ret);} }int main(int argc,char **argv) {int fd,ret;struct aiocb rd;fd = open("test.txt",O_RDONLY);if(fd < 0){perror("test.txt");}//填充aiocb的基本內(nèi)容bzero(&rd,sizeof(rd));rd.aio_fildes = fd;rd.aio_buf = (char *)malloc(sizeof(BUFFER_SIZE + 1));rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;rd.aio_offset = 0;//填充aiocb中有關(guān)回調(diào)通知的結(jié)構(gòu)體sigeventrd.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//使用線程回調(diào)通知rd.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;//設(shè)置回調(diào)函數(shù)rd.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;//使用默認(rèn)屬性rd.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &rd;//在aiocb控制塊中加入自己的引用//異步讀取文件ret = aio_read(&rd);if(ret < 0){perror("aio_read");}printf("異步讀以開始\n");sleep(1);printf("異步讀結(jié)束\n");return 0; }

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線程會(huì)掉是通過使用aiocb結(jié)構(gòu)體中的aio_sigevent結(jié)構(gòu)體來控制的，
其定義如下

struct sigevent {sigval_t sigev_value;int sigev_signo;int sigev_notify;union {int _pad[SIGEV_PAD_SIZE];int _tid;struct {void (*_function)(sigval_t);void *_attribute; /* really pthread_attr_t */} _sigev_thread;} _sigev_un; }#define sigev_notify_function _sigev_un._sigev_thread._function #define sigev_notify_attributes _sigev_un._sigev_thread._attribute #define sigev_notify_thread_id _sigev_un._tid

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以上是生活随笔為你收集整理的linux下aio异步读写详解与实例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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