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在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)化時(shí)代，異步IO已經(jīng)成為各種軟件開發(fā)中不可或缺的一部分。它可以大大提高程序的效率和性能，使得程序能夠更快速和可靠地響應(yīng)用戶的操作。在Linux系統(tǒng)中，異步IO也是非常重要的，因?yàn)樗梢蕴岣呦到y(tǒng)的并發(fā)訪問量和數(shù)據(jù)處理速度。
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本文將介紹如何在Linux系統(tǒng)下使用異步IO，以及如何開啟異步IO以提高程序的運(yùn)行效率和性能。
一、什么是異步IO？
異步IO（Asynchronous Input/Output）又稱為非阻塞IO，是一種訪問數(shù)據(jù)的方式，與傳統(tǒng)的同步IO相比，以異步方式進(jìn)行IO操作的程序能夠在讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的同時(shí)執(zhí)行其他操作，而不會(huì)因?yàn)樽x寫數(shù)據(jù)而被阻塞。異步IO適用于需要一次性處理大量數(shù)據(jù)，或者需要同時(shí)進(jìn)行多個(gè)IO操作的情況。
與同步IO相比，異步IO的優(yōu)勢(shì)在于它可以減少系統(tǒng)資源的占用，提高程序的響應(yīng)速度和處理效率，并且可以支持更多的并發(fā)連接。異步IO實(shí)現(xiàn)的主要方式有select，poll和epoll等，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。
二、異步IO的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
異步IO相比同步IO的優(yōu)點(diǎn)主要包括：
1、提高程序的運(yùn)行效率和性能：異步IO可以實(shí)現(xiàn)異步讀寫數(shù)據(jù)，程序不需要等待IO操作完成后再進(jìn)行后續(xù)處理，可以在處理完其他操作后再次處理IO操作。這大大提高了程序的運(yùn)行效率和性能，縮短了程序的響應(yīng)時(shí)間，更快地響應(yīng)用戶的操作。
2、支持更多的并發(fā)連接：異步IO可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)IO操作，并且可以輕松地監(jiān)控IO事件，從而支持更多的并發(fā)連接。這使得程序能夠更好地支持高并發(fā)和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理。
3、減少系統(tǒng)資源的占用：異步IO相對(duì)于同步IO來說，需要使用的系統(tǒng)資源更少，能夠更有效地利用系統(tǒng)資源。
異步IO相比同步IO的缺點(diǎn)主要包括：
1、編程難度較大：異步IO需要程序員對(duì)異步IO技術(shù)有深入的了解，并且需要對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的修改和調(diào)試，因此相對(duì)于同步IO而言，編程難度較大。
2、易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)問題：由于異步IO可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)IO操作，因此容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)問題，需要程序員對(duì)并發(fā)操作進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)和管理。
三、Linux下的異步IO實(shí)現(xiàn)技術(shù)
在Linux系統(tǒng)中，異步IO的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括select，poll和epoll等三種方式，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。
1、select
select是最早的異步IO實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，其原理是通過傳遞一個(gè)文件描述符到select系統(tǒng)調(diào)用中，當(dāng)文件描述符發(fā)生變化時(shí)，程序會(huì)被喚醒并返回相應(yīng)的事件。select的缺點(diǎn)在于它需要程序輪詢所有的文件描述符，效率較低，隨著文件數(shù)量增加，程序的性能也會(huì)逐漸降低。
2、poll
poll是一種相對(duì)于select更高效的異步IO實(shí)現(xiàn)技術(shù)，其原理是通過傳遞一個(gè)文件描述符到poll系統(tǒng)調(diào)用中，當(dāng)文件描述符發(fā)生變化時(shí)，程序會(huì)被喚醒并返回相應(yīng)的事件。與select不同的是，poll無需輪詢所有的文件描述符，而是只輪詢發(fā)生事件的文件描述符，因此效率較高，但是由于其實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，所以它的并發(fā)性和可擴(kuò)展性相對(duì)較弱。
3、epoll
epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)，它采用了事件驅(qū)動(dòng)的方式，能夠高效地處理大量的文件描述符，并支持ET（Edge-triggered）和LT（Level-triggered）兩種工作模式，適用于高并發(fā)、高性能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景。與select和poll不同的是，epoll的效率不會(huì)隨著文件描述符數(shù)量的增加而降低，因此它是目前最為理想的異步IO實(shí)現(xiàn)方案。
四、開啟Linux系統(tǒng)下的異步IO功能
為了開啟Linux系統(tǒng)下的異步IO功能，需要進(jìn)行以下操作：
1、使用epoll系統(tǒng)調(diào)用：在Linux系統(tǒng)中，開啟異步IO的更佳方式是使用epoll系統(tǒng)調(diào)用。epoll能夠高效地處理多個(gè)文件描述符，并且能夠?qū)崿F(xiàn)ET和LT兩種工作模式，具有較高的并發(fā)性和可擴(kuò)展性。
2、使用非阻塞IO：在進(jìn)行異步IO操作時(shí)，需要使用非阻塞IO，這樣才能保證IO操作不會(huì)阻塞程序。非阻塞IO通過使用O_NONBLOCK選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，可以在文件描述符上使用fcntl()系統(tǒng)調(diào)用或者open()系統(tǒng)調(diào)用來開啟。
3、編寫事件循環(huán)：對(duì)于一些需要不斷監(jiān)聽事件的程序，需要編寫事件循環(huán)來實(shí)現(xiàn)異步IO。事件循環(huán)可以使用epoll_wt()系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，每次調(diào)用時(shí)會(huì)返回所有發(fā)生事件的文件描述符。
五、
異步IO是在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中非常重要的一種技術(shù)。它能夠提高程序的效率和性能，可以支持更多的并發(fā)連接，并且能夠有效地利用系統(tǒng)資源。在Linux系統(tǒng)中，異步IO的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括select，poll和epoll等三種方式，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。通過開啟異步IO，可以進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行效率和性能，使得程序能夠更快速和可靠地響應(yīng)用戶的操作。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux磁盤IO流程
- Linux中常見IO調(diào)度器
Linux磁盤IO流程
文件IO的分層設(shè)計(jì)
先看圖：
malloc的buf對(duì)應(yīng)application buffer，用戶空間；
fwrite是系統(tǒng)提供的最上層接口，也是最常用的接纖嘩口。它在用戶進(jìn)程空間開辟一個(gè)CLib buffer，將多次小數(shù)據(jù)量相鄰寫操作(application buffer)先緩存起來，合并，最終調(diào)用write函數(shù)一次性寫入（或者將大塊數(shù)據(jù)分解多次write調(diào)用）；
write函數(shù)通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，將數(shù)據(jù)從應(yīng)用層copy到內(nèi)核慎巧層，所以write會(huì)觸發(fā)內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)切換。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)page cache后，內(nèi)核并不會(huì)立即把數(shù)據(jù)往下傳遞。而是返回用戶空間。數(shù)據(jù)什么時(shí)候?qū)懭胗脖P，有內(nèi)核IO調(diào)度決定，所以write是一個(gè)異步調(diào)用;
read調(diào)用是先檢查page cache里面是否有數(shù)據(jù)，如果有，就取出來返回用戶，如果沒有，就同步傳遞寬豎鍵下去并等待有數(shù)據(jù)，再返回用戶，所以read是一個(gè)同步過程；
fclose隱含fflush函數(shù),fflush只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從Clibbuffer拷貝到pagecache中返回，并沒有刷新到磁盤上，刷新到磁盤上可以使用fsync函數(shù)；
即便fsync仍有可能沒寫到磁盤上，一是磁盤有緩存，二是即便關(guān)閉緩存也可能為了跑分沒有真正關(guān)閉；
** 一致性
fwrite使用用戶進(jìn)程私有空間，多線程必然需要做同步。write如果寫大小小于PIPE_BUF，是原子操作。根據(jù)已知信息，內(nèi)核所做僅限于此，如果兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)寫文件，可能出現(xiàn)錯(cuò)亂，需要實(shí)測(cè)。
** 安全性
從前面的分層設(shè)計(jì)來看，使用fsync函數(shù)可以更大限度保障安全寫入，但仍然沒有絕對(duì)的安全性。
另外一張圖
Linux中常見IO調(diào)度器
對(duì)于磁盤I/O，Linux提供了cfq, deadline和noop三種調(diào)度策略
考慮到硬件配置、實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景（讀寫比例、順序還是隨機(jī)讀寫）的差異，上面的簡(jiǎn)單解釋對(duì)于實(shí)際選擇沒有太大幫助，實(shí)際該選擇哪個(gè)基本還是要實(shí)測(cè)來驗(yàn)證。不過下面幾條說明供參考：
NOOP全稱No Operation,中文名稱電梯式調(diào)度器，該算法實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列，所有I/O請(qǐng)求大致按照先來后到的順序進(jìn)行操作。NOOP實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列,它像電梯的工作方式一樣對(duì)I/O請(qǐng)求進(jìn)行組織。它是基于先入先出（FIFO）隊(duì)列概念的 Linux 內(nèi)核里最簡(jiǎn)單的I/O 調(diào)度器。此調(diào)度程序最適合于固態(tài)硬盤。
Deadline翻譯成中文是截止時(shí)間調(diào)度答世灶器，是對(duì)Linus Elevator的一種改進(jìn)，它避免有些請(qǐng)求太長(zhǎng)時(shí)間不能被處理。另外可以區(qū)分對(duì)待讀操作和寫操作。DEADLINE額外分別為讀I/O和寫I/O提供了FIFO隊(duì)列。
Deadline對(duì)讀寫request進(jìn)行了分類管理，并且在調(diào)度處理的過程中讀請(qǐng)求具有較高優(yōu)先級(jí)。這主要是因?yàn)樽x請(qǐng)求往往是同步操作，對(duì)延遲時(shí)間比較敏感，而寫操作往往是異步操作，可以盡可能的將相鄰訪問地址的請(qǐng)求進(jìn)行合并，但是，合并的效率越高，延遲時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)。因此，為了區(qū)別對(duì)待讀寫請(qǐng)求類型，deadline采用兩條鏈表對(duì)讀寫請(qǐng)求進(jìn)行分類管理。但是，引入分類管理之后，在讀優(yōu)先的情況下，寫請(qǐng)求如果長(zhǎng)時(shí)間得到不到調(diào)度，會(huì)出現(xiàn)餓死的情況，因此，deadline算法考慮了寫?zhàn)I死的情況，從而保證在讀優(yōu)先調(diào)度的情況下，寫請(qǐng)求不會(huì)被餓死。
總體來講，deadline算法對(duì)request進(jìn)行了優(yōu)先權(quán)控制調(diào)度，主要表現(xiàn)在如下幾清扮個(gè)方面：
CFQ全稱Completely Fair Scheduler ，中文名稱完全公平調(diào)度器，它是現(xiàn)在許多 Linux 發(fā)行版的默認(rèn)調(diào)度器，CFQ是內(nèi)核默認(rèn)選擇的I/O調(diào)度器。它將由進(jìn)程提交的同步請(qǐng)求放到多個(gè)進(jìn)程隊(duì)列中，然后為每個(gè)隊(duì)列分配時(shí)間片以訪問磁盤。
對(duì)于通用的服務(wù)器是更好的選擇，CFQ均勻地分布對(duì)I/O帶寬的訪問
。CFQ為每個(gè)進(jìn)程和線程，單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列來管理該進(jìn)程所產(chǎn)生的請(qǐng)求,以此來保證每個(gè)進(jìn)程都能被很好的分配到I/O帶寬，I/O調(diào)度器每次執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程的4次請(qǐng)求。該算法的特點(diǎn)是按照I/O請(qǐng)求的地址進(jìn)行排序，而不是按照先來后到的順序來進(jìn)行響應(yīng)。簡(jiǎn)單來說就是給所有同步進(jìn)程分配時(shí)間片，然后才排隊(duì)訪問磁盤。
多隊(duì)列無操作I / O調(diào)度程序。不對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行重新排序，最小的開銷。NVME等快速隨機(jī)I / O設(shè)備的返拿理想選擇。
這是對(duì)最后期限I / O調(diào)度程序的改編，但設(shè)計(jì)用于 多隊(duì)列設(shè)備。一個(gè)出色的多面手，CPU開銷相當(dāng)?shù)汀?/p>
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