Chinaunix首页 | 论坛 | 博客
  • 博客访问: 134049
  • 博文数量: 35
  • 博客积分: 45
  • 博客等级: 民兵
  • 技术积分: 180
  • 用 户 组: 普通用户
  • 注册时间: 2013-01-10 11:16
文章分类

全部博文(35)

文章存档

2016年(12)

2015年(10)

2014年(4)

2013年(9)

我的朋友

分类: 架构设计与优化

2015-07-26 22:04:36

学习何时以及如何使用 POSIX AIO API
M. Tim Jones (mtj@mtjones.com), 顾问工程师, Emulex
简介: 
Linux? 中最常用的输入/输出(I/O)模型是同步 I/O。
在这个模型中,当请求发出之后,应用程序就会阻塞,直到请求满足为止。
这是很好的一种解决方案,因为调用应用程序在等待 I/O 请求完成时不需要使用任何中央处理单元(CPU)。
但是在某些情况中,I/O 请求可能需要与其他进程产生交叠(并行)。
可移植操作系统接口(POSIX)异步 I/O(AIO)应用程序接口(API)就提供了这种功能。
在本文中,我们将对这个 API 概要进行介绍,并来了解一下如何使用它。

一、AIO 简介
Linux 异步 I/O 是 Linux 内核中提供的一个相当新的增强。
它是 2.6 版本内核的一个标准特性,但是我们在 2.4 版本内核的补丁中也可以找到它。
AIO 背后的基本思想是允许进程发起很多 I/O 操作,而不用阻塞或等待任何操作完成。
稍后或在接收到 I/O 操作完成的通知时,进程就可以检索 I/O 操作的结果。


二、I/O 模型
在深入介绍 AIO API 之前,让我们先来探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O 模型。
这并不是一个详尽的介绍,但是我们将试图介绍最常用的一些模型来解释它们与异步 I/O 之间的区别。
图 1 给出了同步和异步模型,以及阻塞和非阻塞的模型。


图 1. 基本 Linux I/O 模型的简单矩阵

基本 Linux I/O 模型的简单矩阵 
每个 I/O 模型都有自己的使用模式,它们对于特定的应用程序都有自己的优点。
本节将简要对其一 一进行介绍。


三、I/O 密集型与 CPU 密集型进程的比较
I/O 密集型进程所执行的 I/O 操作       >  执行的处理操作。
CPU 密集型的进程所执行的处理操作  >  I/O 操作。
Linux 2.6 的调度器实际上更加偏爱 I/O 密集型的进程,
因为它们通常会发起一个 I/O 操作,然后进行阻塞,这就意味着其他工作都可以在两者之间有效地交错进行。

四、同步阻塞 I/O
最常用的一个模型是同步阻塞 I/O 模型。
在这个模型中,用户空间的应用程序执行一个系统调用,这会导致应用程序阻塞。
这意味着应用程序会一直阻塞,直到系统调用完成为止(数据传输完成或发生错误)。
调用应用程序处于一种不再消费 CPU 而只是简单等待响应的状态,因此从处理的角度来看,这是非常有效的。
图 2 给出了传统的阻塞 I/O 模型,这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。
其行为非常容易理解,其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。
steps:
a. 在调用 read 系统调用时,应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。
b. 然后会触发读操作,
c. 当响应返回时(从我们正在从中读取的设备中返回),数据就被移动到用户空间的缓冲区中。
d. 然后应用程序就会解除阻塞(read 调用返回)。
图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
同步阻塞 I/O 模型的典型流程 

从应用程序的角度来说,read 调用会延续很长时间。
实际上,在内核执行读操作和其他工作时,应用程序的确会被阻塞。

五、同步非阻塞 I/O
同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。
在这种模型中,设备是以非阻塞的形式打开的。
这意味着 I/O 操作不会立即完成,read 操作可能会返回一个错误代码,
说明这个命令不能立即满足(EAGAIN 或 EWOULDBLOCK),如图 3 所示。

图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
同步非阻塞 I/O 模型的典型流程 
非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足,需要应用程序调用许多次来等待操作完成。
这可能效率不高,
因为在很多情况下,当内核执行这个命令时,应用程序必须要进行忙碌等待,直到数据可用为止,
或者试图执行其他工作。
正如图 3 所示的一样,这个方法可以引入 I/O 操作的延时,
因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔,这会导致整体数据吞吐量的降低。


六、异步阻塞 I/O
另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。
在这种模型中,配置的是非阻塞 I/O,然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。
使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知,而不仅仅为一个描述符提供通知。
对于每个提示符来说,我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)
异步阻塞 I/O 模型的典型流程 

select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。
尽管这是异步通知使用的一种方便模型,但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。


七、异步非阻塞 I/O(AIO)
最后,异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠(并行)进行的模型。
steps:
a. 读请求会立即返回,说明 read 请求已经成功发起了。
b. 在后台完成读操作时,应用程序然后会执行其他处理操作。
c. 当 read 的响应到达时,就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程
异步非阻塞 I/O 模型的典型流程 
在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠(并行)处理的能力
利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。
当一个或多个 I/O 请求挂起时,CPU 可以执行其他任务;
或者更为常见的是,在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。


阅读(947) | 评论(0) | 转发(0) |
给主人留下些什么吧!~~