带你全面了解Linux原生异步 IO 原理与使用和 AIO 实现（Native AIO）（超级详细）
什么是异步 IO？
异步 IO：当应用程序发起一个 IO 操作后，调用者不能立刻得到结果，而是在内核完成 IO 操作后，通过信号或回调来通知调用者。
异步 IO 与同步 IO 的区别如 图1 所示：
从上图可知，同步 IO 必须等待内核把 IO 操作处理完成后才返回。而异步 IO 不必等待 IO 操作完成，而是向内核发起一个 IO 操作就立刻返回，当内核完成 IO 操作后，会通过信号的方式通知应用程序。
Linux 原生 AIO 原理
Linux Native AIO 是 Linux 支持的原生 AIO，为什么要加原生这个词呢？因为Linux存在很多第三方的异步 IO 库，如 libeio 和 glibc AIO。所以为了加以区别，Linux 的内核提供的异步 IO 就称为原生异步 IO。
很多第三方的异步 IO 库都不是真正的异步 IO，而是使用多线程来模拟异步 IO，如 libeio 就是使用多线程来模拟异步 IO 的。
本文主要介绍 Linux 原生 AIO 的原理和使用，所以不会对其他第三方的异步 IO 库进行分析，下面我们先来介绍 Linux 原生 AIO 的原理。
如 图2 所示：
Linux 原生 AIO 处理流程：
当应用程序调用 io_submit 系统调用发起一个异步 IO 操作后，会向内核的 IO 任务队列中添加一个 IO 任务，并且返回成功。
内核会在后台处理 IO 任务队列中的 IO 任务，然后把处理结果存储在 IO 任务中。
应用程序可以调用 io_getevents 系统调用来获取异步 IO 的处理结果，如果 IO 操作还没完成，那么返回失败信息，否则会返回 IO 处理结果。
从上面的流程可以看出，Linux 的异步 IO 操作主要由两个步骤组成：
调用 io_submit 函数发起一个异步 IO 操作。
调用 io_getevents 函数获取异步 IO 的结果。
下面我们主要分析，Linux 内核是怎么实现异步 IO 的。
【文章福利】小编推荐自己的Linux内核技术交流群:【891587639】整理了一些个人觉得比较好的学习书籍、视频资料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦！！！前100名进群领取，额外赠送一份价值699的内核资料包（含视频教程、电子书、实战项目及代码)
在介绍 Linux 原生 AIO 的实现之前，先通过一个简单的例子来介绍其使用过程：
上面通过一个简单的例子来展示了 Linux 原生 AIO 的使用过程，主要有以下步骤：
通过调用 open 系统调用打开要进行异步 IO 的文件，要注意的是 AIO 操作必须设置 O_DIRECT 直接 IO 标志位。
调用 io_setup 系统调用创建一个异步 IO 上下文。
调用 io_prep_pwrite 或者 io_prep_pread 函数创建一个异步写或者异步读任务。
调用 io_submit 系统调用把异步 IO 任务提交到内核。
调用 io_getevents 系统调用获取异步 IO 的结果。
在上面的例子中，我们获取异步 IO 操作的结果是在一个无限循环中进行的，其实 Linux 还支持一种基于 eventfd 事件通知的机制，可以通过 eventfd 和 epoll 结合来实现事件驱动的方式来获取异步 IO 操作的结果，有兴趣可以查阅相关的内容。
上面主要介绍了 Linux 原生 AIO 的原理和使用，Linux 原生 AIO 的使用比较简单，但其内部实现比较复杂，下面介绍 Linux 原生 AIO 的实现过程.
本文基于 Linux-2.6.0 版本内核源码
一般来说，使用 Linux 原生 AIO 需要 3 个步骤：
调用 io_setup 函数创建一个一般 IO 上下文。
调用 io_submit 函数向内核提交一个异步 IO 操作。
调用 io_getevents 函数获取异步 IO 操作结果。
所以，我们可以通过分析这三个函数的实现来理解 Linux 原生 AIO 的实现。
Linux 原生 AIO 实现在源码文件 /fs/aio.c 中。
创建异步 IO 上下文
要使用 Linux 原生 AIO，首先需要创建一个异步 IO 上下文，在内核中，异步 IO 上下文使用 kioctx 结构表示，定义如下：
在 kioctx 结构中，比较重要的成员为 active_reqs 和 ring_info。active_reqs 保存了所有正在进行的异步 IO 操作，而 ring_info 成员用于存放异步 IO 操作的结果。
kioctx 结构如 图1 所示：
如 图1 所示，active_reqs 成员保存的异步 IO 操作队列是以 kiocb 结构为单元的，而 ring_info 成员指向一个类型为 aio_ring_info 结构的环形缓冲区（Ring Buffer）。
所以我们先来看看 kiocb 结构和 aio_ring_info 结构的定义：
kiocb 结构比较简单，主要用于保存异步 IO 操作的一些信息，如：
ki_filp：用于保存进行异步 IO 的文件对象。
ki_ctx：指向所属的异步 IO 上下文对象。
ki_list：用于连接当前异步 IO 上下文中的所有 IO 操作对象。
ki_user_data：这个字段主要提供给用户自定义使用，比如区分异步 IO 操作，或者设置一个回调函数等。
ki_pos：用于保存异步 IO 操作的文件偏移量。
而 aio_ring_info 结构是一个环形缓冲区的实现，其定义如下：
这个环形缓冲区主要用于保存已经完成的异步 IO 操作的结果，异步 IO 操作的结果使用 io_event 结构表示。如 图2 所示：
图2 中的 head 代表环形缓冲区的开始位置，而 tail 代表环形缓冲区的结束位置，如果 tail 大于 head，则表示有完成的异步 IO 操作结果可以获取。如果 head 等于 tail，则表示没有完成的异步 IO 操作。
环形缓冲区的 head 和 tail 位置保存在 aio_ring 的结构中，其定义如下：
上面介绍了那么多数据结构，只是为了接下来的源码分析更加容易明白。
现在，我们开始分析异步 IO 上下文的创建过程，异步 IO 上下文的创建通过调用 io_setup 函数完成，而 io_setup 函数会调用内核函数 sys_io_setup，其实现如下：
sys_io_setup 函数的实现比较简单，首先调用 ioctx_alloc 申请一个异步 IO 上下文对象，然后把异步 IO 上下文对象的标识符返回给调用者。
所以，sys_io_setup 函数的核心过程是调用 ioctx_alloc 函数，我们继续分析 ioctx_alloc 函数的实现：
ioctx_alloc 函数主要完成以下工作：
调用 kmem_cache_alloc 函数向内核申请一个异步 IO 上下文对象。
初始化异步 IO 上下文各个成员变量，如初始化异步 IO 操作队列。
调用 aio_setup_ring 函数初始化环形缓冲区。
环形缓冲区初始化函数 aio_setup_ring 的实现有点小复杂，主要涉及内存管理的知识点，所以这里跳过这部分的分析，有兴趣的可以私聊我一起讨论。
提交异步 IO 操作
提交异步 IO 操作是通过 io_submit 函数完成的，io_submit 需要提供一个类型为 iocb 结构的数组，表示要进行的异步 IO 操作相关的信息，我们先来看看 iocb 结构的定义：
io_submit 函数最终会调用内核函数 sys_io_submit 来实现提供异步 IO 操作，我们来分析 sys_io_submit 函数的实现：
sys_io_submit 函数的实现比较简单，主要从用户空间复制异步 IO 操作信息到内核空间，然后调用 io_submit_one 函数提交异步 IO 操作。我们重点分析 io_submit_one 函数的实现：
上面代码已经对 io_submit_one 函数进行了详细的注释，这里总结一下 io_submit_one 函数主要完成的工作：
通过调用 fget 函数获取文件句柄对应的文件对象。
调用 aio_get_req 函数获取一个类型为 kiocb 结构的异步 IO 操作对象，这个结构前面已经分析过。另外，aio_get_req 函数还会把异步 IO 操作对象添加到异步 IO 上下文的 active_reqs 队列中。
根据不同的异步 IO 操作类型来进行不同的处理，如 异步读操作 会调用文件对象的 aio_read 方法来进行处理。不同的文件系统，其 aio_read 方法的实现不一样，如 Ext3 文件系统的 aio_read 方法会指向 generic_file_aio_read 函数。
如果异步 IO 操作被添加到内核的 IO 请求队列中，那么就直接返回。否则就代表 IO 操作已经完成，那么就调用 aio_complete 函数完成收尾工作。
io_submit_one 函数的操作过程如 图3 所示：
所以，io_submit_one 函数的主要任务就是向内核提交 IO 请求。
异步 IO 操作完成
当异步 IO 操作完成后，内核会调用 aio_complete 函数来把处理结果放进异步 IO 上下文的环形缓冲区 ring_info 中，我们来分析一下 aio_complete 函数的实现：
aio_complete 函数的 iocb 参数是我们通过调用 io_submit_once 函数提交的异步 IO 对象，而参数 res 和 res2 是用内核进行 IO 操作完成后返回的结果。
aio_complete 函数的主要工作如下：
根据环形缓冲区的 tail 指针获取一个空闲的 io_event 对象来保存 IO 操作的结果。
对环形缓冲区的 tail 指针进行加一操作，指向下一个空闲的位置。
当把异步 IO 操作的结果保存到环形缓冲区后，用户层就可以通过调用 io_getevents 函数来读取 IO 操作的结果，io_getevents 函数最终会调用 sys_io_getevents 函数。
我们来分析 sys_io_getevents 函数的实现：
从上面的代码可以看出，sys_io_getevents 函数主要调用 read_events 函数来读取异步 IO 操作的结果，我们接着分析 read_events 函数：
read_events 函数主要还是调用 aio_read_evt 函数来从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，如果读取成功，就把结果复制到用户空间中。
aio_read_evt 函数是从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，其实现如下：
aio_read_evt 函数的主要工作就是判断环形缓冲区是否为空，如果不为空就从环形缓冲区中读取异步 IO 操作的结果，并且保存到参数 ent 中，并且移动环形缓冲区的 head 指针到下一个位置。
