io_uring

io_uring 是 Linux 内核提供的一种高性能异步 I/O 框架,旨在解决传统异步 I/O 接口(如 aio)的局限性,并提供更高的性能和更低的延迟.它由 Jens Axboe 开发,从 Linux 5.1 版本开始引入,并逐渐成为 Linux 高性能 I/O 操作的首选方案

在正式介绍 io_uring 之前, 我们先来介绍一下同步IO 和 异步IO

sync & async

前文 epoll 一文中我们介绍了同步 IO

阻塞 I/O 和 非阻塞 I/O 的同步特性

  1. 阻塞 I/O(Blocking I/O)
    • 调用 recv() 或 read() 时,进程会一直等待,直到数据完全从内核拷贝到用户空间,才能返回.
    • 期间,进程处于 "睡眠状态",不会占用 CPU.
  1. 非阻塞 I/O(Non-blocking I/O)
    • 通过 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) 让 recv() 或 read() 变成非阻塞,调用时立即返回:
      • 如果数据还未准备好,立即返回 -1,需要主动轮询.
      • 如果数据准备好了,会立即拷贝数据到用户空间,并返回读取的字节数.
    • 进程仍然需要不断轮询或借助 select / poll / epoll 监听可读事件,才能最终完成数据读取.
    • 由于进程仍然需要在用户空间主动处理数据,它依然属于同步 I/O.

真正的异步 I/O(Asynchronous I/O)

异步 I/O(AIO) 指的是 用户进程发起 I/O 请求后,内核在数据准备好后会主动通知用户进程,整个过程不会阻塞用户进程,如:

在 异步 I/O 模型 下:

总结

I/O 模型用户态等待方式数据拷贝方式是否同步
阻塞 I/O read() 阻塞直到数据准备好 数据从内核拷贝到用户空间 ✅ 是
非阻塞 I/O read() 立即返回(轮询或 select) 仍然需要进程主动拷贝 ✅ 是
异步 I/O aio_read() 立即返回 内核完成数据拷贝后主动通知进程 ❌ 不是

因此,阻塞 I/O 和 非阻塞 I/O 都是同步 I/O,而真正的异步 I/O 需要内核异步通知进程,进程无需主动等待数据拷贝.

异步 IO 如何实现

异步 I/O (Asynchronous I/O) 是一种 I/O 操作方式,它允许进程发起一个 I/O 操作后不必等待 I/O 操作完成,而是可以继续执行其他任务,直到 I/O 操作完成时通知进程.通过这种方式,应用程序可以在等待 I/O 操作完成的同时做其他工作,从而提高系统的效率,尤其是在需要高并发时

在程序中的 IO 操作是相当常见的, 比如读取文件, 写入文件, 从网络获取数据等等.

#include <liburing.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(32, &ring, 0);

    int fd = open("testfile", O_RDONLY);
    char buffer[1024];

    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
    io_uring_sqe_set_data(sqe, (void *)buffer);

    io_uring_submit(&ring);

    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    if (cqe->res < 0) {
        printf("Error: %d\n", cqe->res);
    } else {
        printf("Read %d bytes: %s\n", cqe->res, (char *)cqe->user_data);
    }

    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 0;
}

参考

zood