AIO编程方法

大耗子 2020年03月27日 180次浏览

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AIO编程方法

对象

struct aiocb {
  /* 下面所有字段依赖于具体实现 */
  int             aio_fildes;     /* 文件描述符 */
  off_t           aio_offset;     /* 文件偏移 */
  volatile void  *aio_buf;        /* 缓冲区地址 */
  size_t          aio_nbytes;     /* 传输的数据长度 */
  int             aio_reqprio;    /* 请求优先级 */
  struct sigevent aio_sigevent;   /* 通知方法 */
  int             aio_lio_opcode; /* 仅被 lio_listio() 函数使用 */
  /* Various implementation-internal fields not shown */
};

// 第五个参数普遍不使用,除非要让它在特定的cpu上运行。
struct sigevent {
    int           sigev_notify;            //Notification type. 
    int           sigev_signo;            //Signal number. 
    union sigval  sigev_value;             //Signal value. 
    void         (*sigev_notify_function)(union sigval); //Notification function. 
    pthread_attr_t *sigev_notify_attributes;  //Notification attributes. 
}; 

union sigval
{
    int sival_int;
    void *sival_ptr;
};  

  • sigev_notify可用参数:

    • SIGEV_NONE:空的提醒,事件发生时不做任何事情
    • SIGEV_SIGNAL:向进程发送sigev_signo中指定的信号,具体详细的状况参照上面的文档,这涉及到sigaction的使用
    • SIGEV_THREAD:通知进程在一个新的线程中启动sigev_notify_function函数,函数的实参是sigev_value,系统API自动启动一个线程,我们不用显式启动。

aio_error

  • aio_error 函数被用来确定请求的状态。
int aio_error( struct aiocb *aiocbp );
  • 返回值:

    • EINPROGRESS,说明请求尚未完成。
    • ECANCELLED,说明请求被应用程序取消了。
    • -1,说明发生了错误,具体错误原因可以查阅 errno。
    • 0 ,说明完成当前请求。

aio_return

  • 异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态,因为我们并没有阻塞在 read 调用上。在标准的 read 调用中,返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中,我们要使用 aio_return 函数。这个函数的原型如下:
ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );

aio_read

  • aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功,返回值就为 0;如果出现错误,返回值就为 -1,并设置 errno 的值。
  • aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下
int aio_read(struct aiocb *aiocbp);

aio_read demo

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc,char **argv)
{
    //aio操作所需结构体
    struct aiocb rd;

    int fd,ret,couter;

    fd = open("test.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }

    //将rd结构体清空
    bzero(&rd,sizeof(rd));

    //为rd.aio_buf分配空间
    rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);

    //填充rd结构体
    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    rd.aio_offset = 0;

    //进行异步读操作
    ret = aio_read(&rd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_read");
        exit(1);
    }
	//do other things
	
    couter = 0;
//  循环等待异步读操作结束
    while(aio_error(&rd) == EINPROGRESS)
    {
       // printf("第%d次\n",++couter);
    }
	
    //获取异步读返回值
    ret = aio_return(&rd);
	
    printf("\n\n返回值为:%d\n",ret);
	printf("%s\n",rd.aio_buf);
	
	free(rd.aio_buf);
	close(fd);
    return 0;
}

aio_write

  • aio_write 函数会立即返回,说明请求已经进行排队(成功时返回值为 0,失败时返回值为 -1,并相应地设置 errno)。
  • aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下:
int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
  • 这与 read 系统调用类似,但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说,要使用的偏移量是非常重要的。然而,对于 write 来说,这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND,那么这个偏移量就会被忽略,数据都会被附加到文件的末尾。否则,aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。

aio_write demo

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc,char **argv)
{
    //定义aio控制块结构体
    struct aiocb wr;

    int ret,fd;

    char str[20] = {"hello,world"};

    //置零wr结构体
    bzero(&wr,sizeof(wr));

    fd = open("test.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }


    wr.aio_buf = str;

    //填充aiocb结构
    wr.aio_fildes = fd;
    wr.aio_nbytes = sizeof(str);

    //异步写操作
    ret = aio_write(&wr);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_write");
    }

    //等待异步写完成
    while(aio_error(&wr) == EINPROGRESS)
    {
        printf("hello,world\n");
    }

    //获得异步写的返回值
    ret = aio_return(&wr);
    printf("\n\n\n返回值为:%d\n",ret);

    return 0;
}

aio_cancel

函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。

int aio_cancel(int fd, struct aiocb *aiocbp);
  • 要取消一个请求,我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了,那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了,这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED

  • 要取消对某个给定文件描述符的所有请求,我们需要提供这个文件的描述符,以及一个对 aiocbpNULL 引用。如果所有的请求都取消了,这个函数就会返回 AIO_CANCELED;如果至少有一个请求没有被取消,那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED;如果没有一个请求可以被取消,那么这个函数就会返回 AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了,那么 aio_error 就会返回 -1,并且 errno 会被设置为 ECANCELED

aio_suspend

  • aio_suspend函数可以时当前进程挂起,直到有向其注册的异步事件完成为止
  • 阻塞等待完成
  • 所有aio完成后或者超时时间到了 才会返回
int aio_suspend(const struct aiocb *const cblist[],int n,const struct timespec *timeout);
  • 参数:

    第一个参数是个保存了aiocb块地址的数组,我们可以向其内添加想要等待阻塞的异步事件。

    第二个参数为向cblist注册的aiocb个数。

    第三个参数为等待阻塞的超时时间,NULL为无限等待

aio_suspend demo

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>


#define BUFFER_SIZE 1024

int MAX_LIST = 2;

int main(int argc,char **argv)
{
    //aio操作所需结构体
    struct aiocb rd,wd;

    int fd1,fd2,ret,couter;

    //cblist链表
    struct aiocb *aiocb_list[2];



    fd1 = open("test1.txt",O_RDONLY);
    if(fd1 < 0)
    {
        perror("test1.txt");
    }
 
	fd2 = open("test2.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
    if(fd2 < 0)
    {
        perror("test2.txt");
    }
	
	
    //将rd结构体清空
    bzero(&rd,sizeof(rd));


    //为rd.aio_buf分配空间
    rd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);

    //填充rd结构体
    rd.aio_fildes = fd1;
    rd.aio_nbytes =  BUFFER_SIZE;
    rd.aio_offset = 0;

    //将读fd的事件注册
    aiocb_list[0] = &rd;

    //进行异步读操作
    ret = aio_read(&rd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_read");
        exit(1);
    }
	
	//将rd结构体清空
    bzero(&wd,sizeof(rd));


    //为rd.aio_buf分配空间
    wd.aio_buf = malloc(BUFFER_SIZE + 1);

    //填充rd结构体
    wd.aio_fildes = fd1;
    wd.aio_nbytes =  BUFFER_SIZE;


    //将读fd的事件注册
    aiocb_list[1] = &wd;

    //进行异步读操作
    ret = aio_write(&wd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_write");
        exit(1);
    }

    printf("我要开始等待异步读事件完成\n");
    //阻塞等待异步读事件完成
    ret = aio_suspend(aiocb_list,MAX_LIST,NULL);
	
	
    //获取异步读返回值
    ret = aio_return(&rd);
	
	printf("%s\n",rd.aio_buf);

    printf("\n\nrd返回值为:%d\n",ret);
	
	ret = aio_return(&wd);

    printf("\n\nwd返回值为:%d\n",ret);


    return 0;
}

lio_listio

aio同时还为我们提供了一个可以发起多个或多种I/O请求的接口lio_listio
这个函数效率很高,因为我们只需一次系统调用(一次内核上下位切换)就可以完成大量的I/O操作

int lio_listio(int mode,struct aiocb *list[],int nent,struct sigevent *sig);

第一个参数mode可以有俩个实参,LIO_WAIT和LIO_NOWAIT,前一个会阻塞该调用直到所有I/O都完成为止,后一个则会挂入队列就返回,通过回调函数或信号操作。

  • LIO_WAIT 阻塞发起:阻塞等到所有发起的AIO全部完成后,才会返回。
  • LIO_NOWAIT 非阻塞发起:发起后立即返回,通过绑定的信号来通知或者线程回调通知。

LIO_WAIT demo

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>

#define BUFFER_SIZE 1025

int MAX_LIST = 2;


int main(int argc,char **argv)
{
    struct aiocb *listio[2];
    struct aiocb rd,wr;
    int fd,ret;

    //异步读事件
    fd = open("test1.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test1.txt");
    }

    bzero(&rd,sizeof(rd));

    rd.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if(rd.aio_buf == NULL)
    {
        perror("aio_buf");
    }

    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_nbytes = 1024;
    rd.aio_offset = 0;
    rd.aio_lio_opcode = LIO_READ;   ///lio操作类型为异步读

    //将异步读事件添加到list中
    listio[0] = &rd;


    //异步些事件
    fd = open("test2.txt",O_WRONLY | O_APPEND);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test2.txt");
    }

    bzero(&wr,sizeof(wr));

    wr.aio_buf = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
    if(wr.aio_buf == NULL)
    {
        perror("aio_buf");
    }

    wr.aio_fildes = fd;
    wr.aio_nbytes = 1024;

    wr.aio_lio_opcode = LIO_WRITE;   ///lio操作类型为异步写

    //将异步写事件添加到list中
    listio[1] = &wr;

    //使用lio_listio发起一系列请求
    ret = lio_listio(LIO_WAIT,listio,MAX_LIST,NULL);

    //当异步读写都完成时获取他们的返回值

    ret = aio_return(&rd);
    printf("\n读返回值:%d",ret);

    ret = aio_return(&wr);
    printf("\n写返回值:%d",ret);



    return 0;
}


LIO_NOWAIT demo

当我们的异步I/O操作完成之时,我们可以通过信号通知我们的进程也可用回调函数来进行异步通知,接下来我会为大家主要介绍以下回调函数来进行异步通知。

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<aio.h>
#include<unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 1025


void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
{
    //用来获取读aiocb结构的指针
    struct aiocb *prd;
    int ret;

    prd = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;

    printf("hello\n");

    //获取返回值
    ret = aio_return(prd);

}

int main(int argc,char **argv)
{
    int fd,ret;
    struct aiocb rd;

    fd = open("test.txt",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("test.txt");
    }
    //填充aiocb的基本内容
    bzero(&rd,sizeof(rd));

    rd.aio_fildes = fd;
    rd.aio_buf = (char *)malloc(sizeof(BUFFER_SIZE + 1));
    rd.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    rd.aio_offset = 0;

    //填充aiocb中有关回调通知的结构体sigevent
    rd.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//使用线程回调通知
    rd.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;//设置回调函数
    rd.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;//使用默认属性
    rd.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &rd;//在aiocb控制块中加入自己的引用

    //异步读取文件
    ret = aio_read(&rd);
    if(ret < 0)
    {
        perror("aio_read");
    }

    printf("异步读以开始\n");
    sleep(1);
    printf("异步读结束\n");

    return 0;
}