26. 异步IO

長夜難明
240 阅读4分钟

阻塞 / 非阻塞 VS 同步 / 异步

  • 阻塞 I/O
    阻塞 I/O 发起 read 请求，线程会被挂起，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核区域拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read 请求调用才返回。 image.png
  • 非阻塞 I/O。
    非阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，应用程序可以不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲，并完成这次 read 调用。注意，这里最后一次 read 调用，获取数据的过程，是一个同步的过程。这里的同步指的是内核区域的数据拷贝到缓存区这个过程。

image.png

每次让应用程序去轮询内核的 I/O 是否准备好，是一个不经济的做法，因为在轮询的过程中应用进程啥也不能干。于是 I/O 多路复用技术就登场了。通过 I/O 事件分发，当内核数据准备好时，再通知应用程序进行操作。这个做法大大改善了应用进程对 CPU 的利用率，在没有被通知的情况下，应用进程可以使用 CPU 做其他的事情。

注意，这里 read 调用，获取数据的过程，也是一个同步的过程。

image.png

无论是第一种阻塞 I/O，还是第二种非阻塞 I/O，第三种基于非阻塞 I/O 的多路复用都是同步调用技术。为什么这么说呢？因为同步调用、异步调用的说法，是对于获取数据的过程而言的，前面几种最后获取数据的 read 操作调用，都是同步的，在 read 调用时，内核将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个过程是在 read 函数中同步进行的，如果内核实现的拷贝效率很差，read 调用就会在这个同步过程中消耗比较长的时间。

而异步调用则不用担心这个问题，当我们发起 aio_read 之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个拷贝过程是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。

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拿去书店买书的例子：

  • 阻塞 I/O：你去书店告诉老板你想要某本书，然后你就一直在那里等着，直到书店老板翻箱倒柜找到你想要的书。
  • 非阻塞 I/O 类似于你去了书店，问老板有没有一本书，老板告诉你没有，你就离开了。一周以后，你又来这个书店，再问这个老板，老板一查，有了，于是你买了这本书。
  • 基于非阻塞的 I/O 多路复用，你来到书店告诉老板：“老板，到货给我打电话吧，我再来付钱取书。”
  • 异步 I/O 就是你连去书店取书的过程也想省了，你留下地址，付了书费，让老板到货时寄给你，你直接在家里拿到就可以看了。

image.png

aio_read 和 aio_write 的用法

异步 I/O 用起来挺简单的。下面我们看一下一个具体的例子：

#include<aio.h>

const int BUF_SIZE = 512;

int main() {
    int err;
    int result_size;

    // 创建一个临时文件
    char tmpname[256];
    snprintf(tmpname, sizeof(tmpname), "/tmp/aio_test_%d", getpid());
    unlink(tmpname);
    int fd = open(tmpname, O_CREAT | O_RDWR | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
        error(1, errno, "open file failed ");
    }
    unlink(tmpname);

    char buf[BUF_SIZE];
    struct aiocb aiocb;

    //初始化buf缓冲，写入的数据应该为0xfafa这样的,
    memset(buf, 0xfa, BUF_SIZE);
    memset(&aiocb, 0, sizeof(struct aiocb));
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buf;
    aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;

    //向内核提交了一个异步写文件的操作
    if (aio_write(&aiocb) == -1) {
        printf(" Error at aio_write(): %s\n", strerror(errno));
        close(fd);
        exit(1);
    }

    //因为是异步的，需要判断什么时候写完
    while (aio_error(&aiocb) == EINPROGRESS) {
        printf("writing... \n");
    }

    //判断写入的是否正确
    err = aio_error(&aiocb);//获取当前异步操作的状态；
    result_size = aio_return(&aiocb);
    if (err != 0 || result_size != BUF_SIZE) {
        printf(" aio_write failed() : %s\n", strerror(err));
        close(fd);
        exit(1);
    }

    //下面准备开始读数据
    char buffer[BUF_SIZE];
    struct aiocb cb;
    cb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
    cb.aio_fildes = fd;
    cb.aio_offset = 0;
    cb.aio_buf = buffer;

    // 开始读数据
    if (aio_read(&cb) == -1) {
        printf(" air_read failed() : %s\n", strerror(err));
        close(fd);
    }

    //因为是异步的，需要判断什么时候读完
    while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS) {
        printf("Reading... \n");
    }

    // 判断读是否成功
    int numBytes = aio_return(&cb);
    if (numBytes != -1) {
        printf("Success.\n");
    } else {
        printf("Error.\n");
    }

    // 清理文件句柄
    close(fd);
    return 0;
}
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