浅尝异步IO

关于异步IO

记得几年前使用MFC编程的时候，曾经使用过windows的异步socket。
当在socket句柄上设置好关心的事件（如，可读、可写）后，如果事件发生，则指定的窗口会收到一个指定的消息。
int WSAAsyncSelect(SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent);
然后窗口例程取得消息，对socket进行处理（如，recv、send）。

linux也支持类似的异步IO（不局限于socket），如果事件发生，指定的进程会收到一个指定的信号，然后在信号处理函数里面可以对fd进行处理。
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

使用异步socket模型可以在一个线程中处理多个socket，并且通过消息队列（或信号队列）将这些处理过程串行化。
相比于传统的select模型，异步socket模型在性能上有一定的优势（每次select操作时，对所有fd的poll操作是很影响性能的）。可能是由于代码写起来不够结构化，异步IO方式较少被人使用。

但是，实际上上面提到的异步IO并不是真正的异步IO。真正的异步IO应该是：
1、进程对fd进行读写，非阻塞；
2、内核负责完成对可读写事件的等待，以及读写过程，最后把结果通知给进程；
而不是：
1、进程设置关心的事件，非阻塞；
2、内核监听到事件，然后通知进程；
3、进程调用读写接口，对fd进程操作；
4、内核完成读写操作，返回结果；

真正的异步IO省略了上面的2~3步，省略了一次内核和用户的切进切出，具有更高的效率。
然而，一直以来，很多操作系统都没有实现真正的异步IO机制。

实现自己的异步IO

前段时间在学习写内核模块，作为练习，想做一个实现异步IO的内核模块。其基本思路是使用一个内核线程来完成对于所有相关联的fd的读写操作。用户进程进行读写时，实际上是向这个内核线程添加一个任务。

这个内核模块注册了一个字符设备（cdev），用户使用异步IO的方式如下：

1、打开这个设备，获得一个设备fd；
fd = open(“/dev/fasync”, O_RDWR);
这时，内核模块生成一个异步任务描述对象，存放在返回的fd对应的file->private_data中；

2、通过ioctl接口，将另一个实际需要读写的fd（如：socket）“绑定”到这个设备fd上；
ioctl(fd, FASYNC_IOCTL_BIND, socket);
这时，内核模块将socket信息添加到fd对应的异步任务描述对象中；

3、设置socket的f_owner，指定异步通知的对象，并注册对应的信号处理过程；
fcntl(socket, F_SETOWN, getpid());
这是由文件子系统实现的功能，owner被记录在socket对应的file结构中；

4、对这个设备fd进行一次读写操作，读写操作不阻塞。用户程序在信号处理过程中获知fd的读写结果；
read(fd, buffer, size);
这时，内核模块在fd对应的异步任务描述对象中设置任务为read，及任务相关参数buffer和size。然后将该任务添加到该模块创建的内核工作线程中。

5、内核工作线程完成对socket的监听和读写。任务完成后向socket对应的owner发送信号。

问题及解决办法

大体的想法就是这样。但是其中有一点很难实现：用户传入buffer是一个虚拟地址，它与进程的页表是对应的（如果页表换了，这个地址也就没有意义了）。这个地址仅仅在对应的进程上下文中才有效，在这个内核态的工作线程中可能是无效的，所以工作线程不能通过这个地址来进行读写。

内核空间的地址映射在系统初始化时已经生成在init_mm中，但是init_mm中的页表信息并不会直接被使用。每一个进程在创建时，它的mm结构都会在init_mm的基础上生成。也就是说，每个进程的页表实际上是继承了内核的页表。于是，运行内核代码时，并不需要切换页表，因为每一个用户进程都能提供内核所需的页表。这样的设计避免了内核和用户空间切换时的页表切换。
在上面的设计中，异步IO工作线程作为一个内核线程，并没有自己专用的页表。它也是使用之前的用户进程的页表（当从某个用户进程A切换到这个内核线程时，A的页表不被切换，继续被内核线程使用）。
当用户进程A调用read的时候，必定是从A切换到内核空间的（实际上这里还是进程A的上下文），A的页表还是生效的，所以内核可以使用用户传入的buffer。
而在工作线程因为socket可读而被唤醒时，就没法保证前一个进程就是A了，这个时候buffer是不能直接使用的。

一个可行的解决办法是在接收用户的调用时，将buffer转成page（page代表了物理页面）。这个时候，buffer可能还没有被映射，没有对应的page，所以需要把它手动建立一下映射。然后，内核模块记录下这个page，以后就通过它来读写buffer。但是，这个方法实现起来相当麻烦，要考虑的边界条件实在太多了（buffer与page边界不对齐；buffer跨多个page；buffer可能已经被用户释放，但是直接使用page的话却不知道这个事情；等等……）

后来，在较新的linux内核（2.6.2x）中看到了真正的异步IO——AIO，原来linux已经实现了异步IO。（其实，AIO早在linux 2.4时就已经被作为内核patch提供了。）
AIO提供了专门的系统调用（aio_read、aio_write、...），作为异步IO的接口。
AIO也是利用内核线程来完成读写工作的，那么它是怎么解决前面提到的读写用户buffer的问题的呢？
AIO的做法是记录下用户传入的buffer，以及用户进程的mm，然后在要存取buffer之前，将页表切换成对应用户页表（通过一个叫use_mm函数），于是就可以直接使用buffer了。
在这里，通过切换页表来使得用户传入的buffer可用，把问题变得简单了。
可惜use_mm这个函数并没有导出符号，不能被内核模块所引用（除非改一下内核），这一招不能用在我的内核模块上面了……