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posix aio 和 kernel aio 的区别

前面说的 linux kernel aio，提供了一些内核函数来支持异步IO，性能很好，但是没有可移植性。还有一点是网上绝大部分文章都描述 linux kernel aio 只支持 DIRECT IO，这个与我在 linux 5.10 上测试的结果不符，可能是内核版本的原因。

而 posix aio 是c标准库 glibc 中，基于posix接口规范，在用户态用多线程实现的一个aio。它的优点是可移植性好，在满足posix规范的平台上基本上都能跑，缺点是基于多线程实现的性能较差，而且受限于线程池的大小，可能出现任务积压影响IO速度。

posix aio

posix aio api

见文档 https://man7.org/linux/man-pages/man7/aio.7.html

aio_read(3)
        Enqueue a read request.  This is the asynchronous analog
        of read(2).

aio_write(3)
        Enqueue a write request.  This is the asynchronous analog
        of write(2).

aio_fsync(3)
        Enqueue a sync request for the I/O operations on a file
        descriptor.  This is the asynchronous analog of fsync(2)
        and fdatasync(2).

aio_error(3)
        Obtain the error status of an enqueued I/O request.

aio_return(3)
        Obtain the return status of a completed I/O request.

aio_suspend(3)
        Suspend the caller until one or more of a specified set of
        I/O requests completes.

aio_cancel(3)
        Attempt to cancel outstanding I/O requests on a specified
        file descriptor.

lio_listio(3)
        Enqueue multiple I/O requests using a single function
        call.

编译时需要链接 -L/usr/lib64 -laio -lrt 这两个库。

基本使用流程

const int SEQ_BUF_SIZE = 1024;
char buf[SEQ_BUF_SIZE];
bzero(buf, SEQ_BUF_SIZE);
struct aiocb cb;
memset(&cb, 0, sizeof(struct aiocb));
int fd = open("./test.txt", O_RDONLY);

//step1. 创建 posix aio 回调对象
cb.aio_fildes = fd; 
cb.aio_buf = buf;
cb.aio_nbytes = SEQ_BUF_SIZE;
cb.aio_offset = 0; // start offset

//step2. 创建异步读取任务
int ret = aio_read(&cb);
if (ret != 0){
        fprintf(stderr, "aio_read() failed. errno = %d\n", errno);
        return "";
}
//step3. 等待异步通知

异步通知方式

有很多方式可以花式判断 posix aio 任务的结束，和 kernel aio 一样，也是有办法通过 epoll 来监视异步IO任务的。

通过 sleep 判断

void CheckBySleep(aiocb &cb){
    while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS){
        sleep(1);
    }
    fprintf(stdout, "%s\n", (char*)(cb.aio_buf));
}

通过 signal 通知

/**
 * @brief 信号方式判断结束的handler
 * 
 * @param sig 
 * @param info 
 * @param ucontext 
 */
void SignalHandler(int sig, siginfo_t *info, void *ucontext){
    printf("handle sig: %d\n", sig); 
    // handle sig: 10
    // info->si_code:-4
    // info->si_errno:0
    // info->si_signo:10
    std::cout << "info->si_code:" << info->si_code << std::endl;
    std::cout << "info->si_errno:" << info->si_errno << std::endl;
    std::cout << "info->si_signo:" << info->si_signo << std::endl;
    //一定要设置 cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb， 否则拿不到二进制数据
    aiocb *ptr = (aiocb *)info->si_value.sival_ptr;
    printf("p=%d\n", ptr->aio_offset); 
    printf("p=%d\n", ptr->aio_nbytes); 
    printf("p=%d\n", ptr->aio_sigevent.sigev_signo); 
    printf("read=%s\n", (char *)ptr->aio_buf); 
};

通过线程通知

/**
 * @brief 通过线程的方式判断结束
 * @param cb 
 */
void CheckByThread(aiocb &cb){
    cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb;
    cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
    cb.aio_sigevent.sigev_notify_function = ThreadHandler;
    cb.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL; 
}

通过 signalfd 阻塞读来通知

**
 * @brief 通过信号fd读写来监听结束
 * https://man7.org/linux/man-pages/man2/signalfd.2.html
 * https://zhuanlan.zhihu.com/p/418256266
 * @param cb 
 */
void CheckBySignalFd(aiocb &cb){
    //指定用信号的方式触发
    cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb;//这个必须要填写，会在signalfd_siginfo中以ssi_ptr指针返回
    cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    cb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGUSR1;
    //创建 signalfd
    sigset_t mask;
    // 信号清零
    sigemptyset(&mask);
    // 添加信号到掩码集
    sigaddset(&mask, SIGUSR1);
    // 设置该进程为对应的信号集的内容（当前已经的信号集合做并集、交集、覆盖）
    // 这行代码才是真正的信号设置；
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

    // 创建 signalfd 句柄（绑定信号）
    int sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
    for (;;) {
        // 阻塞读取 signalfd 数据（数据代表信号）
        signalfd_siginfo sig;
        size_t s = read(sfd, &sig, sizeof(struct signalfd_siginfo));
        // ...
        // 信号的逻辑处理
        if(s > 0){
            SignalFdHandler(sig.ssi_signo, (aiocb*)sig.ssi_ptr, nullptr);
        } else {
            printf("get signal size %d\n", s);
        }
    }
}

通过 signalfd+epoll 来通知

/**
 * @brief 将 posix aio 的 signal 模式下的 signal 转换为 signalfd，这个fd可以用epoll来监听
 * 普通的ext4文件系统的文件不能用 epoll 来监听，因为没有提供poll接口，参考 https://cloud.tencent.com/developer/article/1835294
 * @param cb 
 */
void CheckByEpoll(aiocb &cb){
    //指定用信号的方式触发
    cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb;//这个必须要填写，会在signalfd_siginfo中以ssi_ptr指针返回
    cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    cb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGUSR1;
    //创建 signalfd
    sigset_t mask;
    // 信号清零
    sigemptyset(&mask);
    // 添加信号到掩码集
    sigaddset(&mask, SIGUSR1);
    // 设置该进程为对应的信号集的内容（当前已经的信号集合做并集、交集、覆盖）
    // 这行代码才是真正的信号设置；
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

    // 创建 signalfd 句柄（绑定信号），用于epoll下可以考虑设置为非阻塞fd
    int sfd = signalfd(-1, &mask, SFD_NONBLOCK);

    printf("handle aio by signalfd \n");
    //创建epollfd
    const int MAX_EVENT_NUM = 1;
    int efd = epoll_create(MAX_EVENT_NUM);
    //添加sfd到epoll的监听中
    epoll_event in_ev{EPOLLIN, {.fd=sfd}};
    epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &in_ev);
    //阻塞，监听epoll返回
    epoll_event out_ev;
    int ret = epoll_wait(efd, &out_ev, MAX_EVENT_NUM, -1);
    if(ret <=0){
        printf(" epoll fail with ret: %d \n", ret);
        return;
    }
    //若out_ev里边有可写事件，尝试读取数据
    if(EPOLLIN & out_ev.events){
        signalfd_siginfo sig;
        size_t s = read(sfd, &sig, sizeof(struct signalfd_siginfo));
        // ...
        // 信号的逻辑处理
        if(s > 0){
            SignalFdHandler(sig.ssi_signo, (aiocb*)sig.ssi_ptr, nullptr);
        } else {
            printf("get signal size %d\n", s);
        }
    }
}