linux 磁盘io技术3——libaio使用介绍

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前一篇文章介绍了一下libaio与block io性能比较：linux 磁盘io技术3——libaio使用介绍。

今天来仔细聊聊libaio的使用。

一、O_DIRECT

研究libaio之前，必须怎明白O_DIRECT标志是干嘛的。

Buffered I/O：

user space buffer—-> kernel space buffer—->disk，这就需要用户空间数据拷贝到内核缓冲区，这就浪费了CPU和内存资源了。

DIRECT I/O：

不通过kernel内存缓存，直接将用户空间数据拷贝到磁盘。

那么使用O_DIRECT，则使用DIRECT I/O，这样会减少内存拷贝次数，cpu使用率也会减少。但是这样做就需要由用户层来做内存block对齐，并且其内存大小也必须是block整数倍。如果不这样做，用write是写不进数据的，直接报错。

通过命令dumpe2fs可以查看系统文件系统的block大小。我的系统block是1024。

但是这个地方我做过实验，不需要是block对齐，或block整数倍，只需要512对齐，512整数倍就可以。512是正好一个扇区的大小。这个地方很奇怪，不知道哪位高手能帮忙解惑下，不胜感激。

保证512对齐可以采用如下方法：

方法1：

void * buf = NULL; posix_memalign(&buf, 512, BUF_SIZE);

方法2：

#include <stdint.h> #define CHUNK_ALIGNMENT 512 // align to 512-byte boundary #define CHUNK_ALIGNMENT_MASK (~(CHUNK_ALIGNMENT - 1)) static inline size_t align_size (size_t unaligned) { return((unaligned + CHUNK_ALIGNMENT - 1 ) & CHUNK_ALIGNMENT_MASK); } static inline void * align_buf (void *unaligned) { return((void *)((intptr_t)(unaligned + CHUNK_ALIGNMENT - 1) & CHUNK_ALIGNMENT_MASK)); } static inline bool buf_aligned (void *ptr) { return(((intptr_t)(ptr) & (~CHUNK_ALIGNMENT_MASK)) == 0); }

<注> 最后说明一下，在使用libaio，是必须将 O_DIRECT标识置上的，如果不置，可能会报错，也可能会直接采用同步block读写的方式，其行为不确定。

可以参照说明：http://lse.sourceforge.net/io/aio.html。

二、libaio接口说明

接口文件为/usr/include/libaio.h，可以直接打开看，这里捡些主要的来说明一下。

接口结构体：

struct io_iocb_common { PADDEDptr(void *buf, __pad1); //buf start ptr PADDEDul(nbytes, __pad2); //buf size long long offset; //file offset long long __pad3, __pad4; };

这里面buf和nbytes没啥好说的，buf和buf size，offset是相对于文件的偏移量。但有一点必须强调下，buf、buf size、offset必须都是512的整数倍。否则读或写都会失败的。

typedef enum io_iocb_cmd { IO_CMD_PREAD = 0, IO_CMD_PWRITE = 1, IO_CMD_FSYNC = 2, IO_CMD_FDSYNC = 3, IO_CMD_POLL = 5, IO_CMD_NOOP = 6, } io_iocb_cmd_t;

struct iocb { PADDEDptr(void *data, __pad1); /* Return in the io completion event */ PADDED(unsigned key, __pad2); /* For use in identifying io requests */ short aio_lio_opcode; short aio_reqprio; int aio_fildes; union { struct io_iocb_common c; struct io_iocb_vector v; struct io_iocb_poll poll; struct io_iocb_sockaddr saddr; } u; };

data：可以自定义类型，通常在这里定义call back ptr和call back ptr data，在io_getevents返回之后，通过此回调函数，完成读写完成之后的后续处理

aio_fildes：file fd

aio_lio_opcode：io_iocb_cmd下的命令，常用的就是读写。

union联合中，常用的是io_iocb_common。

这个结构是不是很复杂，其实是不用我们挨个赋值的，libaio提供了一些内联函数，来帮我们做这些事情，内联函数在头文件libaio.h中有定义，这里不赘述了。

struct io_event { PADDEDptr(void *data, __pad1); PADDEDptr(struct iocb *obj, __pad2); PADDEDul(res, __pad3); PADDEDul(res2, __pad4); };

data：没太搞懂，没怎么明白有啥用？

obj: iocb

res：为完成的读、写字节数

res2：读写成功状态，0表示成功

接口函数：

extern int io_setup(int maxevents, io_context_t *ctxp); extern int io_destroy(io_context_t ctx); extern int io_submit(io_context_t ctx, long nr, struct iocb *ios[]); extern int io_cancel(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, struct io_event *evt); extern int io_getevents(io_context_t ctx_id, long min_nr, long nr, struct io_event *events, struct timespec *timeout);

io_setup：maxevents表示能处理的最大时间数，同时初始化结构io_context_t，调用之前ctxp必须。

io_destroy：和io_setup对应

io_submint：该函数把nr个iocb放到ctx对应的执行队列中之后返回

io_cancel：该函数尝试取消之前通过io_submit传入的iocb。

io_getevents：该函数尝试从完成队列中去的至少min_nr个，至多nr个的消息。我们通过检查io_event的信息可以做我们想做的事情。

简单示例：

<span style="font-size:14px;">#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <libaio.h> #include <errno.h> #include <unistd.h> #include <unistd.h> #define MAX_COUNT 10 * 1024 #define BUF_SIZE 1 * 1024 * 1024 #ifndef O_DIRECT #define O_DIRECT 040000 /* direct disk access hint */ #endif int main(int args, void *argv[]){ int fd; void * buf = NULL; int pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE); posix_memalign(&buf, pagesize, BUF_SIZE); io_context_t ctx; struct iocb io,*p=&io; struct io_event e[10]; struct timespec timeout; memset(&ctx,0,sizeof(ctx)); if(io_setup(10,&ctx)!=0){ printf("io_setup error\n"); return -1; } if((fd = open("/home/aio.d", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND | O_DIRECT, 0644))<0) { perror("open error"); io_destroy(ctx); return -1; } int n = MAX_COUNT; while(n > 0) { io_prep_pwrite(&io, fd, buf, BUF_SIZE, 0); if(io_submit(ctx, 1, &p)!=1) { io_destroy(ctx); printf("io_submit error\n"); return -1; } int ret = io_getevents(ctx, 1, 10, e, NULL); if (ret != 1) { perror("ret != 1"); break; } n--; } close(fd); io_destroy(ctx); return 0; } </span>

写到这里，libaio基本知识也都说的差不多了，但是现在有个问题，如果当前进程是基于epoll的，那么是否可以将libaio当成普通fd，加入到epoll当中来，和网络io结合到一起呢，这样对于一些网络服务，是不是特别方便，特别帅呢。答案是ok的。网上有一个epoll和libaio结合的例子供大家参考，作者偷个懒，这里不做单独讨论，例子如下：