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linux下aio异步读写详解与实例

發布時間：2025/3/21 linux 75 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 linux下aio异步读写详解与实例小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

1.為什么會有異步I/O

aio異步讀寫是在linux內核2.6之后才正式納入其標準。之所以會增加此模塊，是因為眾所周知我們計算機CPU的執行速度遠大于I/O讀寫的執行速度，如果我們用傳統的阻塞式或非阻塞式來操作I/O的話，那么我們在同一個程序中(不用多線程或多進程)就不能同時操作倆個以上的文件I/O，每次只能對一個文件進行I/O操作，很明顯這樣效率很低下(因為CPU速度遠大于I/O操作的速度，所以當執行I/O時，CPU其實還可以做更多的事)。因此就誕生了相對高效的異步I/O

2.異步I/O的基本概念

所謂異步I/O即我們在調用I/O操作時(讀或寫)我們的程序不會阻塞在當前位置，而是在繼續往下執行。例如當我們調用異步讀API aio_read()時，程序執行此代碼之后會接著運行此函數下面的代碼，并且與此同時程序也在進行剛才所要讀的文件的讀取工作，但是具體什么時候讀完是不確定的

3.異步aio的基本API

API函數說明

aio_read	異步讀操作
aio_write	異步寫操作
aio_error	檢查異步請求的狀態
aio_return	獲得異步請求完成時的返回值
aio_suspend	掛起調用進程，直到一個或多個異步請求已完成
aio_cancel	取消異步請求
lio_list	發起一系列異步I/O請求

上述的每個API都要用aiocb結構體賴進行操作
aiocb的結構中常用的成員有

struct aiocb {//要異步操作的文件描述符int aio_fildes;//用于lio操作時選擇操作何種異步I/O類型int aio_lio_opcode;//異步讀或寫的緩沖區的緩沖區volatile void *aio_buf;//異步讀或寫的字節數size_t aio_nbytes;//異步通知的結構體struct sigevent aio_sigevent; }

4異步I/O操作的具體使用

(1)異步讀aio_read

aio_read函數請求對一個文件進行讀操作，所請求文件對應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);

該函數請求對文件進行異步讀操作，若請求失敗返回-1，成功則返回0，并將該請求進行排隊，然后就開始對文件的異步讀操作
需要注意的是，我們得先對aiocb結構體進行必要的初始化
具體實例如下

aio_read

上述實例中aiocb結構體用來表示某一次特定的讀寫操作，在異步讀操作時我們只需要注意4點內容
1.確定所要讀的文件描述符，并寫入aiocb結構體中(下面幾條一樣不再贅余)
2.確定讀所需的緩沖區
3.確定讀的字節數
4.確定文件的偏移量
總結以上注意事項：基本上和我們的read函數所需的條件相似，唯一的區別就是多一個文件偏移量

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

int aio_error(struct aiocb *aiopcb);

當其狀態處于EINPROGRESS則I/O還沒完成，當處于ECANCELLED則操作已被取消，發生錯誤返回-1

而aio_return則是用來返回其參數指定I/O操作的返回值
其原型如下

ssize_t aio_return(struct aiocb *paiocb);

如果操作沒完成調用此函數，則會產生錯誤

特別提醒在編譯上述程序時必須在編譯時再加一個-lrt

上述代碼運行結果如下

(2)異步寫aio_write

aio_writr用來請求異步寫操作
其函數原型如下

int aio_write(struct aiocb *paiocb);

aio_write和aio_read函數類似，當該函數返回成功時，說明該寫請求以進行排隊(成功0，失敗-1)
其和aio_read調用時的區別是就是我們如果在打開文件是，flags設置了O_APPEND則我們在填充aiocb時不需要填充它的偏移量了
具體實例如下

具體運行結果請讀者自己去試試

(3)使用aio_suspend阻塞異步I/O

aio_suspend函數可以時當前進程掛起，知道有向其注冊的異步事件完成為止
該函數原型如下

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

第一個參數是個保存了aiocb塊地址的數組，我們可以向其內添加想要等待阻塞的異步事件，第二個參數為向cblist注冊的aiocb個數,第三個參數為等待阻塞的超時事件，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操作所需結構體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結構體清空bzero(&rd,sizeof(rd));//為rd.aio_buf分配空間rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);//填充rd結構體rd.aio_fildes = fd;rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;rd.aio_offset = 0;//將讀fd的事件注冊aiocb_list[0] = &rd;//進行異步讀操作ret = aio_read(&rd);if(ret < 0){perror("aio_read");exit(1);}couter = 0; // 循環等待異步讀操作結束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; }

(4)lio_listio函數

aio同時還為我們提供了一個可以發起多個或多種I/O請求的接口lio_listio
這個函數效率很高，因為我們只需一次系統調用(一次內核上下位切換)就可以完成大量的I/O操作
其函數原型如下

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

第一個參數mode可以有倆個實參，LIO_WAIT和LIO_NOWAIT，前一個會阻塞該調用直到所有I/O都完成為止，后一個則會掛入隊列就返回

具體實例如下
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發起一系列請求ret = lio_listio(LIO_WAIT,listio,MAX_LIST,NULL);//當異步讀寫都完成時獲取他們的返回值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; }

5.I/O完成時進行異步通知

當我們的異步I/O操作完成之時，我們可以通過信號通知我們的進程也可用回調函數來進行異步通知，接下來我會為大家主要介紹以下回調函數來進行異步通知，關于信號通知有興趣的同學自己去學習吧

使用回調進行異步通知

該種通知方式使用一個系統回調函數來通知應用程序，要想完成此功能，我們必須在aiocb中設置我們想要進行異步回調的aiocb指針，以用來回調之后表示其自身

實例如下
aio線程回調通知

#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結構的指針struct aiocb *prd;int ret;prd = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;printf("hello\n");//判斷請求是否成功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中有關回調通知的結構體sigeventrd.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//使用線程回調通知rd.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;//設置回調函數rd.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;//使用默認屬性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("異步讀結束\n");return 0; }

線程會掉是通過使用aiocb結構體中的aio_sigevent結構體來控制的，
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

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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