linux AIO （异步IO） 那点事儿

        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：

function fun() {
 fs.readFileSync();
 fs.readFileSync();
 …
 }

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.

Linux AIO 早就被提上议程，目前比较知名的有 Glibc 的 AIO   与 Kernel Native AIO
Glibc AIO: http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/
Kernel Native AIO: http://lse.sourceforge.net/io/aio.html

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：

int  main()
{
struct aiocb my_aiocb;
fd = open("file.txt", O_RDONLY);
...
my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;
…
ret = aio_read(&my_aiocb);
…
write(1, "caller thread\n", 14);
sleep(5);
}

void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
{
write(1, "callback\n", 9);
struct aiocb *req;
...
req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;
printf("data: %s\n" ,req->aio_buf);
return;
}

我们用 strace 来跟踪调用，得到以下结果 （只保留主要语句）:

23908 open(“file.txt”, O_RDONLY)        = 3
23908 clone(…) = 23909
23908 write(1, “caller thread\n”, 14)   = 14
23908 nanosleep({5, 0},  <unfinished …>
…
23909 pread(3, “hello, world\n”, 1024, 0) = 13
23909 clone(..)= 23910
23909 futex(0x3d3a4082a4, FUTEX_WAIT_PRIVATE, 1, {0, 999942000} <unfinished …>
…
23910 write(1, “callback\n”, 9)         = 9
23910 write(1, “data: hello, world\n”, 19) = 19
23910 write(1, “\n”, 1)                 = 1
23910 _exit(0)                          = ?
23909 <… futex resumed> )             = -1 ETIMEDOUT (Connection timed out)
23909 futex(0x3d3a408200, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 1) = 0
23909 _exit(0)                          = ?
23908 <… nanosleep resumed> {5, 0})   = 0
23908 exit_group(0)                     = ?

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，
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..

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.
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.
详见：http://davmac.org/davpage/linux/async-io.html

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.

http://wiki.nginx.org/HttpCoreModule
aio
syntax: aio [on|off|sendfile]
default: off
context: http, server, location
This directive is usable as of Linux kernel 2.6.22. For Linux it is required to use directio, this automatically disables sendfile support.

location /video {
aio on;
directio 512;
output_buffers 1 128k;
}

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.

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

nginx supports file AIO only in 0.8.11+, but the file AIO is functional
on FreeBSD only. On Linux AIO is supported by nginx only on kerenl
2.6.22+ (although, CentOS 5.5 has backported the required AIO features).
Anyway, on Linux AIO works only if file offset and size are aligned
to a disk block size (usually 512 bytes) and this data can not be cached
in OS VM cache (Linux AIO requires DIRECTIO that bypass OS VM cache).
I believe a cause of so strange AIO implementaion is that AIO in Linux
was developed mainly for databases by Oracle and IBM.

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.

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 ：

http://software.schmorp.de/pkg/libeio.html

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.

（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:

(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)

int eio_init (void (*want_poll)(void), void (*done_poll)(void))

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：

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

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。

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：

void r_pipe_cb(){
...
eio_poll();
}

在eio_poll 中 有类似以下代码：

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

}

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！

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，
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）.

libeio 虽不完美，但目前还是将就着用用吧 …