[{"_1":2,"_3":-5,"_4":-5},"loaderData",{"_5":6,"_7":8},"actionData","errors","root",{"_11":-5},"routes/user.$name.replies",{"_9":10,"_11":12,"_13":14,"_15":16,"_17":18,"_19":16},"replies",[35],"user",{"_20":21,"_13":14,"_22":23,"_24":25,"_26":27,"_28":29,"_30":31,"_32":16,"_33":34},"loginname","erylei","page",1,"limit",50,"total","id","9466","avatar_url","http://www.gravatar.com/avatar/ac1132a622b224a045252b215bd3ee31?size=48","githubUsername","","create_at","2013-08-19 16:15:52.805","score",5,"topic_count",0,"reply_count","is_star",false,{"_20":36,"_37":38,"_39":-5,"_40":41,"_42":43,"_44":45,"_46":47,"_48":34,"_32":29,"_49":50,"_26":51,"_52":53},"73","author_id","135","tab","content","

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在高性能的服务器编程中，IO 模型理所当然的是重中之重，需要谨慎选型的，对于网络套接字，我们可以采用epoll 的方式来轮询，尽管epoll也有一些缺陷，但总体来说还是很高效的，尤其来大量套接字的场景下；但对于Regular File 来说，是不能够用采用 poll/epoll 的，即O_NOBLOCK 方式对于传统文件句柄是无效的，也就是说我们的 open ,read, mkdir 之类的Regular File操作必定会导致阻塞.在多线程、多进程模型中，可以选择以同步阻塞的方式来进行IO操作，任务调度由操作系统来保证公平性，但在单进程/线程模型中，以nodejs 为例，假如我们需要在一个用户请求中处理10个文件：\r\n
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function fun() {\r\n
 fs.readFileSync();\r\n
 fs.readFileSync();\r\n
 …\r\n
 }

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这时候进程至少会阻塞10次，而这可能会导致其他的上千个用户请求得不到处理，这当然是不能接受的.\r\n
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Linux AIO 早就被提上议程，目前比较知名的有 Glibc 的 AIO 与 Kernel Native AIO\r\n
Glibc AIO: http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/\r\n
Kernel Native AIO: http://lse.sourceforge.net/io/aio.html\r\n
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我们用Glibc 的AIO 做个小实验，写一个简单的程序：异步方式读取一个文件，并注册异步回调函数：\r\n

int  main()\r\n
{\r\n
struct aiocb my_aiocb;\r\n
fd = open(\"file.txt\", O_RDONLY);\r\n
...\r\n
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;\r\n
…\r\n
ret = aio_read(&my_aiocb);\r\n
…\r\n
write(1, \"caller thread\\n\", 14);\r\n
sleep(5);\r\n
}\r\n
\r\n
void aio_completion_handler(sigval_t sigval)\r\n
{\r\n
write(1, \"callback\\n\", 9);\r\n
struct aiocb *req;\r\n
...\r\n
req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;\r\n
printf(\"data: %s\\n\" ,req->aio_buf);\r\n
return;\r\n
}

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我们用 strace 来跟踪调用，得到以下结果（只保留主要语句）:\r\n
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23908 open(\"file.txt\", O_RDONLY)        = 3\r\n
23908 clone(...) = 23909\r\n
23908 write(1, \"caller thread\\n\", 14)   = 14\r\n
23908 nanosleep({5, 0}, \r\n
...\r\n
23909 pread(3, \"hello, world\\n\", 1024, 0) = 13\r\n
23909 clone(..)= 23910\r\n
23909 futex(0x3d3a4082a4, FUTEX_WAIT_PRIVATE, 1, {0, 999942000} \r\n
...\r\n
23910 write(1, \"callback\\n\", 9)         = 9\r\n
23910 write(1, \"data: hello, world\\n\", 19) = 19\r\n
23910 write(1, \"\\n\", 1)                 = 1\r\n
23910 _exit(0)                          = ?\r\n
23909 <... futex resumed> )             = -1 ETIMEDOUT (Connection timed out)\r\n
23909 futex(0x3d3a408200, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 1) = 0\r\n
23909 _exit(0)                          = ?\r\n
23908 <... nanosleep resumed> {5, 0})   = 0\r\n
23908 exit_group(0)                     = ?\r\n
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在Glibc AIO 的实现中，用多线程同步来模拟异步IO ，以上述代码为例，它牵涉了3个线程，\r\n
主线程（23908）新建一个线程（23909）来调用阻塞的pread函数，当pread返回时，又创建了一个线程（23910）来执行我们预设的异步回调函数， 23909 等待23910结束返回，然后23909也结束执行..\r\n
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实际上，为了避免线程的频繁创建、销毁，当有多个请求时，Glibc AIO 会使用线程池，但以上原理是不会变的，尤其要注意的是：我们的回调函数是在一个单独线程中执行的.\r\n
Glibc AIO 广受非议，存在一些难以忍受的缺陷和bug，饱受诟病，是极不推荐使用的.\r\n
详见：http://davmac.org/davpage/linux/async-io.html\r\n
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在Linux 2.6.22+ 系统上，还有一种 Kernel AIO 的实现，与Glibc 的多线程模拟不同，它是真正的做到内核的异步通知，比如在较新版本的Nginx 服务器上，已经添加了AIO方式的支持.\r\n
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http://wiki.nginx.org/HttpCoreModule\r\n
aio\r\n
syntax: aio [on|off|sendfile]\r\n
default: off\r\n
context: http, server, location\r\n
This directive is usable as of Linux kernel 2.6.22. For Linux it is required to use directio, this automatically disables sendfile support.\r\n
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location /video {\r\n
aio on;\r\n
directio 512;\r\n
output_buffers 1 128k;\r\n
}\r\n
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听起来Kernel Native AIO 几乎提供了近乎完美的异步方式，但如果你对它抱有太高期望的话，你会再一次感到失望.\r\n
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目前的Kernel AIO 仅支持 O_DIRECT 方式来对磁盘读写，这意味着，你无法利用系统的缓存，同时它要求读写的的大小和偏移要以区块的方式对齐,参考nginx 的作者 Igor Sysoev 的评论： http://forum.nginx.org/read.php?2,113524,113587#msg-113587\r\n
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nginx supports file AIO only in 0.8.11+, but the file AIO is functional\r\n
on FreeBSD only. On Linux AIO is supported by nginx only on kerenl\r\n
2.6.22+ (although, CentOS 5.5 has backported the required AIO features).\r\n
Anyway, on Linux AIO works only if file offset and size are aligned\r\n
to a disk block size (usually 512 bytes) and this data can not be cached\r\n
in OS VM cache (Linux AIO requires DIRECTIO that bypass OS VM cache).\r\n
I believe a cause of so strange AIO implementaion is that AIO in Linux\r\n
was developed mainly for databases by Oracle and IBM.\r\n
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同时注意上面的橙色字部分，启用AIO 就会关闭sendfile -这是显而易见的，当你用Nginx作为静态服务器，你要么选择以AIO 读取文件到用户缓冲区，然后发送到套接口，要么直接调用sendfile发送到套接口,sendfile 虽然会导致短暂的阻塞，但开启AIO 却无法充分的利用缓存，也丧失了零拷贝的特征 ;当你用Nginx作为动态服务器，比如　fastcgi + php 时，这时php脚本中文件的读写是由php 的文件接口来操作的，这时候是多进程+同步阻塞模型，和文件异步模式扯不上关系的.\r\n
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所以现在Linux 上，没有比较完美的异步文件IO 方案，这时候苦逼程序员的价值就充分体现出来了，libev 的作者 Marc Alexander Lehmann 老大就重新实现了一个AIO library ：\r\n
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http://software.schmorp.de/pkg/libeio.html\r\n
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其实它还是采用线程池+同步模拟出来的，和Glibc 的 AIO 比较像，用作者的话说，这个库相比与Glibc 的实现，开销更小，bug更少(不然重新造个轮子还有毛意义呢？反正我是信了) ，不过这个轮子的代码可读性实在不敢恭维，Marc 老大自己也说了：Currently in BETA! Its code, documentation, integration and portability quality is currently below that of libev, but should soon be ready for use in production environments.\r\n
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（其实libev代码和文档可读性也不咋地，貌似驱动内核搞多了都这样？）好吧，腹诽完了，我们还是阅读下它的源码，来稍微分析一下它的原理:\r\n
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(这个文章的流程图还是蛮靠谱的:http://cnodejs.org/blog/?p=244 ，此处更详细的补充一下下)\r\n
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int eio_init (void (*want_poll)(void), void (*done_poll)(void))\r\n
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初始化时设定两个回调函数，它有两个全局的数据结构： req 存放请求队列，res 存放已经完成的队列当我，当你提交一个异步请求时(eio_submit)，其实是放入req队列中，然后向线程池中处于信号等待的线程发送信号量（如果线程池中没有线程就创建一个），获得信号的线程会执行如下代码：\r\n

ETP_EXECUTE (self, req);\r\n
X_LOCK (reslock);\r\n
++npending;\r\n
if (!reqq_push (&res_queue, req) && want_poll_cb)\r\n
want_poll_cb ();\r\n
X_UNLOCK (reslock);

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ETP_EXECUTE 就是实际的阻塞调用，比如read，open，，sendfile之类的，当函数返回时，表明操作完成，此时加锁方式向完成队列添加一项 ,然后调用 want_pool ,这个函数是我们eio_init时候设置的，然后释放锁。\r\n
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注意：每次完成任务时，都要调用want_poll ，所以这个函数应该是线程安全且尽量短促，实际上我们为了避免陷入多线程的泥淖，我们往往配合eio使用事件轮询机制，比如：我们创建一对管道，我们把“读”端的管道加入 epoll 监控结构中，want_poll 函向“写”端管道写数入一个字节或字长，所以当下次epoll_wait 返回时，我们会执行 “读” 端管道的回调函数，类似如下：\r\n

void r_pipe_cb(){\r\n
...\r\n
eio_poll();\r\n
}

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在eio_poll 中有类似以下代码：\r\n

for(;;){\r\n
X_LOCK (reslock);\r\n
req = reqq_shift (&res_queue);\r\n
if (req){\r\n
if (!res_queue.size && done_poll_cb)\r\n
done_poll_cb ();\r\n
}\r\n
X_UNLOCK (reslock);\r\n
res = ETP_FINISH (req);\r\n
...\r\n
if(empty) break;\r\n
\r\n
}

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eio_poll 函数就是从完成队列res 依次shift ，依次执行我们的回调函数(ETP_FINISH 就是执行用户回调)，在取出完成队列的最后一项但还没有执行用户回调之前，调用我们设定的done_poll ,对res队列的操作当然也是加锁的，注意此时我们自定义的异步回调函数是在我们的主线程中执行的！这才是我们的最终目的！\r\n
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在eio 线程池中，默认最多4个线程，在高性能的程序中，过多的进程/线程往往也是一个瓶颈，\r\n
寄存器的进出栈还是其次，进程虚存地址切换、各级cache 的miss ，这才是最昂贵的，所以，最理想的情形就是：有几个cpu ，就有同样数目的active 线程/进程，但因为io线程往往会陷入sleep模式，所以，还是需要额外的待切换的线程的，作为经验法则，线程池的数量最好是cpu 的数目 X 2（参见windows 核心编程 IOCP卷）.\r\n
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libeio 虽不完美，但目前还是将就着用用吧 ...\r\n
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","title","linux AIO （异步IO）那点事儿","last_reply_at","2015-04-08 06:37:08.781","good",true,"top","visit_count",65025,"2011-09-07 02:00:52","author",{"_13":54,"_22":55},"windyrobin","http://www.gravatar.com/avatar/e9e2e24aa3ed291923d223924ec694ba?s=48"]