本文参考了：

• 《Understanding the Linux Kernel, Third Edition》16.4章

简述

POSIX 异步 IO interface（AIO）定义了允许进程创建一个或多个异步的 IO 操作的接口。进程可以在 IO 操作完成之后得到操作系统的通知，手段包括：不通知、信号、实例化thread。

POSIX 标准

注意：这只是 POSIX(The Portable Operating System Interface)定义的接口，并不是实现。Linux 内核对异步 IO 的具体实现在后面。（This is an API, not implementation!）

POSIX 1003.1标准定义了异步访问文件的 library function：

使用异步 IO 其实是很简单的。大致来说分为三步：

1. 程序先是使用普通的open()系统调用。
2. 然后创建一个叫做aiocb的 control block填满，比较重要的一些字段如下：

• aio_fildes: 对应文件的 fd（open()系统调用返回的）
• aio_buf : 为此文件准备的User mode buffer
• aio_nbytes : 有多少 bytes 应该被传输
• aio_offset : read、write 操作应该从哪个 offset 开始（注意这个和同步的 IO 操作是独立）
• aio_sigevent : 调用者想要什么方式获取 IO 成功的回调通知，包括SIGEV_NONE、SIGEV_SIGNAL、SIGEV_THREAD，分别对应上文提到的三个通知方式。
• aio_lio_opcode : IO 操作类型：read write sync

具体的定义如下：

#include 
    
     struct aiocb {    /* The order of these fields is implementation-dependent */    int             aio_fildes;     /* File descriptor */    off_t           aio_offset;     /* File offset */    volatile void  *aio_buf;        /* Location of buffer */    size_t          aio_nbytes;     /* Length of transfer */    int             aio_reqprio;    /* Request priority */    struct sigevent aio_sigevent;   /* Notification method */    int             aio_lio_opcode; /* Operation to be performed;                                        lio_listio() only */    /* Various implementation-internal fields not shown */};/* Operation codes for 'aio_lio_opcode': */enum { LIO_READ, LIO_WRITE, LIO_NOP };复制代码
    

1. 最后把aiocb这个 control block 的地址传给aio_read()或者 aio_write()。

这两个函数都会在kernel或library将对应 IO 的数据传输加入传输队列之后立即退出。

之后进程可以用aio_error()检查异步 IO 的进行状态：

可以用aio_return()获取成功read或write了多少个 bytes，或者-1表示失败。

Linux 内核支持

在操作系统内核不支持异步 IO 的情况下，异步 IO 也能够实现，实现思路如下：aio_read()和aio_write()先克隆当前进程，让子进程执行同步的read()和write()系统调用，然后父进程结束aio_read()或aio_write()，从而实现非阻塞，主进程可以开始做其他事情。显然，这种没有得到内核支持的异步 IO 操作是比较低效的。

Linux 内核从2.6版本起开始支持下面这些系统调用：

异步 IO上下文（AIO context）

用户态的进程要调用io_submit()之前，先得调用io_setup()创建异步 IO 上下文。

基本上来说，一个 AIO context 就是一个用于追踪所有进行中的异步IO操作的数据结构，这个 struct 叫做kioctx。一个应用可能会创建多个 AIO context，一个进程的所有kioctx用一个链表相连：ioctx_list。

这个ioctx_list保存在该进程的memory descriptor上：

来源于《Understanding the Linux Kernel, Third Edition》 P355

kioctx中有一个重要的数据结构：AIO ring。AIO ring的作用是：kernel 把 outstanding 的 异步 IO 操作完成情况写到这里面，由于AIO ring是位于进程的地址空间的，所以进程可以直接从这个数据接口里面读取异步 IO 的状态，而不用执行相对较慢的系统调用。

提交异步 IO 操作

aio_submit()系统调用包含三个参数：

• ctx_id : io_setup()返回的 id
• iocbpp : 一个iocb指针的列表，iocb包含描述一个异步 IO 操作的信息。
• nr : iocbpp的长度

其中iocb和 POSIX 标准中的aiocb是一样的，同样包含aio_fildes, aio_buf, aio_nbytes, aio_offset, aio_lio_opcode这些字段。

Linux kernel 有一个 service routine : sys_io_submit()，执行下列操作：

1. 检查iocbpp列表包含的iocb descriptors是不是合法的。
2. 通过xtx_id在ioctx_list 中检索出对应的kioctx。
3. 对每一个iocb descriptor，执行下列操作：

• 通过aio_fildes获取文件 fd。
• 为该异步 IO 操作新建一个kiocb descriptor。
• 检查 AIO ring中是否有足够的空间来存储完成结果。
• 根据IO 类型（aio_lio_opcode字段）设置ki_retry方法。
• 执行aio_run_iocb()函数，这个函数本质上就是调用上一步的ki_retry方法，开始执行 IO 操作。如果ki_retry方法返回EIOCBRETRY，就表示该异步 IO 操作已经被提交了，但是还没有完成。一段时间后aio_lio_opcode之后会被再次执行，当提示 IO 完成时，就调用aio_complete()将完成状态写入到 AIO ring。