| AIO(7) | Руководство программиста Linux | AIO(7) |
aio - введение в асинхронный ввод-вывод POSIX
Интерфейс асинхронного ввода-вывода POSIX (AIO) позволяет приложениям запускать одну или несколько операций ввода-вывода, которые выполняются асинхронно (т. е., в фоновом режиме). Приложение может выбрать каким образом оно будет уведомлено о завершении операции ввода-вывода: с помощью сигнала, созданием новой нити или вообще не получать уведомления.
Интерфейс POSIX AIO состоит из следующих функций:
В структуре aiocb («блок управления асинхронным вводом-выводом») задаются параметры, которые управляют операцией ввода-вывода. Аргумент данного типа передаётся во все функции, перечисленные ранее. Данная структура имеет следующий вид:
#include <aiocb.h>
struct aiocb {
/* Порядок данных полей определяется реализацией */
int aio_fildes; /* файловый дескриптор */
off_t aio_offset; /* файловое смещение */
volatile void *aio_buf; /* расположение буфера */
size_t aio_nbytes; /* длина передачи */
int aio_reqprio; /* приоритет запроса */
struct sigevent aio_sigevent; /* метод уведомления */
int aio_lio_opcode; /* выполняемая операция;
только в lio_listio() */
/* Не показаны различные поля, используемые в реализациях */
};
/* Коды операций для 'aio_lio_opcode': */
enum { LIO_READ, LIO_WRITE, LIO_NOP };
Поля этой структуры имеют следующее назначение:
В дополнении к стандартным функциям, перечисленным ранее, в библиотеке GNU C есть следующее расширение программного интерфейса POSIX AIO:
Интерфейсы POSIX AIO появились в glibc в версии 2.1.
POSIX.1-2001, POSIX.1-2008.
Желательно обнулять буфер блока управления перед использованием (смотрите memset(3)). Буфер блока управления и буфер, который задаётся в aio_buf, не должны изменяться во время выполнения операции ввода-вывода. Данные буферы должны оставаться рабочими до завершения операции ввода-вывода.
Одновременное выполнение операций чтения или записи через совместно используемую структуру aiocb приводит к непредсказуемым результатам.
Имеющаяся реализация Linux POSIX AIO предоставляется glibc в пользовательском пространстве. Она имеет ряд ограничений, наиболее существенные из которых — затраты на сопровождение нескольких нитей при операциях ввода-вывода и плохое масштабирование. Некогда для реализации асинхронного ввода-вывода велась работа над ядерной реализацией на основе машины состояний (смотрите io_submit(2), io_setup(2), io_cancel(2), io_destroy(2), io_getevents(2)), но эта реализация ещё недостаточно стабильна в тех местах, где POSIX AIO можно было бы полностью реализовать на системных вызовах ядра.
Представленная далее программа открывает все файлы, указанные в параметрах командной строки и ставит в очередь запрос на полученные файловые дескрипторы с помощью aio_read(3). Затем программа входит в цикл, в котором периодически следит за всеми выполняемыми операциями ввода-вывода с помощью aio_error(3). Для каждого запроса ввода-вывода настроено получение уведомления посредством сигнала. После завершения всех запросов ввода-вывода, программа возвращает их состояние с помощью aio_return(3).
Сигнал SIGQUIT (генерируемый нажатием control-\) заставляет программу отменить все невыполненные запросы с помощью aio_cancel(3).
Вот результат работы программы. В этом примере программа ставит в очередь два запроса для стандартного ввода, и они отрабатываются двумя введёнными строками «abc» и «x».
$ ./a.out /dev/stdin /dev/stdin
открыт /dev/stdin в дескрипторе 3
открыт /dev/stdin в дескрипторе 4
aio_error():
запрос 0 (дескриптор 3): выполняется
запрос 1 (дескриптор 4): выполняется
abc
Получен сигнал завершения ввода-вывода
aio_error():
запрос 0 (дескриптор 3): ввод-вывод завершён
запрос 1 (дескриптор 4): выполняется
aio_error():
запрос 1 (дескриптор 4): выполняется
x
Получен сигнал завершения ввода-вывода
aio_error():
запрос 1 (дескриптор 4): ввод-вывод завершён
Завершены все запросы ввода-вывода
aio_return():
запрос 0 (дескриптор 3): 4
запрос 1 (дескриптор 4): 2
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <aio.h>
#include <signal.h>
#define BUF_SIZE 20 /* размер буферов для операций чтения */
#define errExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
#define errMsg(msg) do { perror(msg); } while (0)
struct ioRequest { /* определяемая приложением структура для
слежения за запросами ввода-вывода */
int reqNum;
int status;
struct aiocb *aiocbp;
};
static volatile sig_atomic_t gotSIGQUIT = 0;
/* при получении SIGQUIT мы пытаемся отменить
все невыполненные запросы ввода-вывода */
static void /* обработчик SIGQUIT */
quitHandler(int sig)
{
gotSIGQUIT = 1;
}
#define IO_SIGNAL SIGUSR1 /* сигнал, уведомляющий о завершении
ввода-вывода */
static void /* обработчик завершения ввода-вывода */
aioSigHandler(int sig, siginfo_t *si, void *ucontext)
{
if (si->si_code == SI_ASYNCIO) {
write(STDOUT_FILENO, "Получен сигнал завершения ввода-вывода\n", 31);
/* соответствующая структура ioRequest была бы доступна как
struct ioRequest *ioReq = si->si_value.sival_ptr;
а файловый дескриптор был бы доступен через
ioReq->aiocbp->aio_fildes */
}
}
int
main(int argc, char *argv[])
{
struct ioRequest *ioList;
struct aiocb *aiocbList;
struct sigaction sa;
int s, j;
int numReqs; /* общее количество устанавливаемых в очередь
запросов ввода-вывода */
int openReqs; /* количество выполняющихся запросов
ввода-вывода */
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "Использование: %s <имя_файла> <имя_файла>...\n",
argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
numReqs = argc - 1;
/* выделяем место под массивы */
ioList = calloc(numReqs, sizeof(struct ioRequest));
if (ioList == NULL)
errExit("calloc");
aiocbList = calloc(numReqs, sizeof(struct aiocb));
if (aiocbList == NULL)
errExit("calloc");
/* указываем обработчики SIGQUIT и сигнала завершения ввода-вывода */
sa.sa_flags = SA_RESTART;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_handler = quitHandler;
if (sigaction(SIGQUIT, &sa, NULL) == -1)
errExit("sigaction");
sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
sa.sa_sigaction = aioSigHandler;
if (sigaction(IO_SIGNAL, &sa, NULL) == -1)
errExit("sigaction");
/* открываем каждый файл, заданный в командной строке и ставим в
очередь запрос на чтение полученного файлового дескриптора */
for (j = 0; j < numReqs; j++) {
ioList[j].reqNum = j;
ioList[j].status = EINPROGRESS;
ioList[j].aiocbp = &aiocbList[j];
ioList[j].aiocbp->aio_fildes = open(argv[j + 1], O_RDONLY);
if (ioList[j].aiocbp->aio_fildes == -1)
errExit("open");
printf("opened %s on descriptor %d\n", argv[j + 1],
ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
ioList[j].aiocbp->aio_buf = malloc(BUF_SIZE);
if (ioList[j].aiocbp->aio_buf == NULL)
errExit("malloc");
ioList[j].aiocbp->aio_nbytes = BUF_SIZE;
ioList[j].aiocbp->aio_reqprio = 0;
ioList[j].aiocbp->aio_offset = 0;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_signo = IO_SIGNAL;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr =
&ioList[j];
s = aio_read(ioList[j].aiocbp);
if (s == -1)
errExit("aio_read");
}
openReqs = numReqs;
/* цикл, отслеживание состояние запросов ввода-вывода */
while (openReqs > 0) {
sleep(3); /* задержка между проверками */
if (gotSIGQUIT) {
/* при получении SIGQUIT пытаемся отменить каждый
невыполненный запрос ввода-вывода и показываем состояние,
возвращаемое при отмене запроса */
printf("получен SIGQUIT; отмена запросов ввода-вывода: \n");
for (j = 0; j < numReqs; j++) {
if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
printf(" запрос %d в дескриптор %d:", j,
ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
s = aio_cancel(ioList[j].aiocbp->aio_fildes,
ioList[j].aiocbp);
if (s == AIO_CANCELED)
printf("ввод-вывод отменён\n");
else if (s == AIO_NOTCANCELED)
printf("ввод-вывод не отменён\n");
else if (s == AIO_ALLDONE)
printf("I/O all done\n");
else
errMsg("aio_cancel");
}
}
gotSIGQUIT = 0;
}
/* проверяем состояние каждого запроса ввода-вывода, которые
ещё не завершились */
printf("aio_error():\n");
for (j = 0; j < numReqs; j++) {
if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
printf(" запрос %d (дескриптор %d): ",
j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
ioList[j].status = aio_error(ioList[j].aiocbp);
switch (ioList[j].status) {
case 0:
printf("ввод-вывод завершён\n");
break;
case EINPROGRESS:
printf("выполняется\n");
break;
case ECANCELED:
printf("отменён\n");
break;
default:
errMsg("aio_error");
break;
}
if (ioList[j].status != EINPROGRESS)
openReqs--;
}
}
}
printf("Завершены все запросы ввода-вывода\n");
/* проверяем возвращаемое состояние всех запросов ввода-вывода */
printf("aio_return():\n");
for (j = 0; j < numReqs; j++) {
ssize_t s;
s = aio_return(ioList[j].aiocbp);
printf(" запрос %d (дескриптор %d): %zd\n",
j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes, s);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
io_cancel(2), io_destroy(2), io_getevents(2), io_setup(2), io_submit(2), aio_cancel(3), aio_error(3), aio_init(3), aio_read(3), aio_return(3), aio_write(3), lio_listio(3)
«Asynchronous I/O Support in Linux 2.5», Bhattacharya, Pratt, Pulavarty, and Morgan, Proceedings of the Linux Symposium, 2003, https://www.kernel.org/doc/ols/2003/ols2003-pages-351-366.pdf
| 2019-03-06 | Linux |