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30 | 真正的大杀器：异步I/O探索
你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战的第30讲，欢迎回来。
在性能篇的前几讲中，我们谈到了阻塞I/O、非阻塞I/O以及像select、poll、epoll等I/O多路复用技术，并在此基础上结合线程技术，实现了以事件分发为核心的reactor反应堆模式。你或许还听说过一个叫做Proactor的网络事件驱动模式，这个Proactor模式和reactor模式到底有什么区别和联系呢？在今天的内容中，我们先讲述异步I/O，再一起揭开以异步I/O为基础的proactor模式的面纱。
阻塞/非阻塞 VS 同步/异步
尽管在前面的课程中，多少都涉及到了阻塞、非阻塞、同步、异步的概念，但为了避免看见这些概念一头雾水，今天，我们就先来梳理一下这几个概念。
第一种是阻塞I/O。阻塞I/O发起的read请求，线程会被挂起，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核区域拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read请求调用才返回。接下来，应用程序就可以对缓冲区的数据进行数据解析。
第二种是非阻塞I/O。非阻塞的read请求在数据未准备好的情况下立即返回，应用程序可以不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲，并完成这次read调用。注意，这里最后一次read调用，获取数据的过程，是一个同步的过程。这里的同步指的是内核区域的数据拷贝到缓冲区的这个过程。
每次让应用程序去轮询内核的I/O是否准备好，是一个不经济的做法，因为在轮询的过程中应用进程啥也不能干。于是，像select、poll这样的I/O多路复用技术就隆重登场了。通过I/O事件分发，当内核数据准备好时，再通知应用程序进行操作。这个做法大大改善了应用进程对CPU的利用率，在没有被通知的情况下，应用进程可以使用CPU做其他的事情。
注意，这里read调用，获取数据的过程，也是一个同步的过程。
第一种阻塞I/O我想你已经比较了解了，在阻塞I/O的情况下，应用程序会被挂起，直到获取数据。第二种非阻塞I/O和第三种基于非阻塞I/O的多路复用技术，获取数据的操作不会被阻塞。
无论是第一种阻塞I/O，还是第二种非阻塞I/O，第三种基于非阻塞I/O的多路复用都是同步调用技术。为什么这么说呢？因为同步调用、异步调用的说法，是对于获取数据的过程而言的，前面几种最后获取数据的read操作调用，都是同步的，在read调用时，内核将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个过程是在read函数中同步进行的，如果内核实现的拷贝效率很差，read调用就会在这个同步过程中消耗比较长的时间。
而真正的异步调用则不用担心这个问题，我们接下来就来介绍第四种I/O技术，当我们发起aio_read之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个拷贝过程是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。
还记得第22讲中讲到的去书店买书的例子吗? 基于这个例子，针对以上的场景，我们可以这么理解。
第一种阻塞I/O就是你去了书店，告诉老板你想要某本书，然后你就一直在那里等着，直到书店老板翻箱倒柜找到你想要的书。
第二种非阻塞I/O类似于你去了书店，问老板有没有一本书，老板告诉你没有，你就离开了。一周以后，你又来这个书店，再问这个老板，老板一查，有了，于是你买了这本书。
第三种基于非阻塞的I/O多路复用，你来到书店告诉老板：“老板，到货给我打电话吧，我再来付钱取书。”
第四种异步I/O就是你连去书店取书的过程也想省了，你留下地址，付了书费，让老板到货时寄给你，你直接在家里拿到就可以看了。
这里放置了一张表格，总结了以上几种I/O模型。
aio_read和aio_write的用法
听起来，异步I/O有一种高大上的感觉。其实，异步I/O用起来倒是挺简单的。下面我们看一下一个具体的例子：
#include "lib/common.h"
#include <aio.h>
const int BUF_SIZE = 512;
int main() {
int err;
int result_size;
// 创建一个临时文件
char tmpname[256];
snprintf(tmpname, sizeof(tmpname), "/tmp/aio_test_%d", getpid());
unlink(tmpname);
int fd = open(tmpname, O_CREAT | O_RDWR | O_EXCL, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd == -1) {
error(1, errno, "open file failed ");
}
char buf[BUF_SIZE];
struct aiocb aiocb;
//初始化buf缓冲，写入的数据应该为0xfafa这样的,
memset(buf, 0xfa, BUF_SIZE);
memset(&aiocb, 0, sizeof(struct aiocb));
aiocb.aio_fildes = fd;
aiocb.aio_buf = buf;
aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
//开始写
if (aio_write(&aiocb) == -1) {
printf(" Error at aio_write(): %s\n", strerror(errno));
close(fd);
exit(1);
}
//因为是异步的，需要判断什么时候写完
while (aio_error(&aiocb) == EINPROGRESS) {
printf("writing... \n");
}
//判断写入的是否正确
err = aio_error(&aiocb);
result_size = aio_return(&aiocb);
if (err != 0 || result_size != BUF_SIZE) {
printf(" aio_write failed() : %s\n", strerror(err));
close(fd);
exit(1);
}
//下面准备开始读数据
char buffer[BUF_SIZE];
struct aiocb cb;
cb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
cb.aio_fildes = fd;
cb.aio_offset = 0;
cb.aio_buf = buffer;
// 开始读数据
if (aio_read(&cb) == -1) {
printf(" air_read failed() : %s\n", strerror(err));
close(fd);
}
//因为是异步的，需要判断什么时候读完
while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS) {
printf("Reading... \n");
}
// 判断读是否成功
int numBytes = aio_return(&cb);
if (numBytes != -1) {
printf("Success.\n");
} else {
printf("Error.\n");
}
// 清理文件句柄
close(fd);
return 0;
}
这个程序展示了如何使用aio系列函数来完成异步读写。主要用到的函数有:
- aio_write：用来向内核提交异步写操作；
- aio_read：用来向内核提交异步读操作；
- aio_error：获取当前异步操作的状态；
- aio_return：获取异步操作读、写的字节数。
这个程序一开始使用aio_write方法向内核提交了一个异步写文件的操作。第23-27行是这个异步写操作的结构体。结构体aiocb是应用程序和操作系统内核传递的异步申请数据结构，这里我们使用了文件描述符、缓冲区指针aio_buf以及需要写入的字节数aio_nbytes。
struct aiocb {
int aio_fildes; /* File descriptor */
off_t aio_offset; /* File offset */
volatile void *aio_buf; /* Location of buffer */
size_t aio_nbytes; /* Length of transfer */
int aio_reqprio; /* Request priority offset */
struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value */
int aio_lio_opcode; /* Operation to be performed */
};
这里我们用了一个0xfa的缓冲区，这在后面的演示中可以看到结果。
30-34行向系统内核申请了这个异步写操作，并且在37-39行查询异步动作的结果，当其结束时在42-48行判断写入的结果是否正确。
紧接着，我们使用了aio_read从文件中读取这些数据。为此，我们准备了一个新的aiocb结构体，告诉内核需要把数据拷贝到buffer这个缓冲区中，和异步写一样，发起异步读之后在第65-67行一直查询异步读动作的结果。
接下来运行这个程序，我们看到屏幕上打印出一系列的字符，显示了这个操作是有内核在后台帮我们完成的。
./aio01
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
writing...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Reading...
Success.
打开/tmp目录下的aio_test_xxxx文件，可以看到，这个文件成功写入了我们期望的数据。
请注意，以上的读写，都不需要我们在应用程序里再发起调用，系统内核直接帮我们做好了。
Linux下socket套接字的异步支持
aio系列函数是由POSIX定义的异步操作接口，可惜的是，Linux下的aio操作，不是真正的操作系统级别支持的，它只是由GNU libc库函数在用户空间借由pthread方式实现的，而且仅仅针对磁盘类I/O，套接字I/O不支持。
也有很多Linux的开发者尝试在操作系统内核中直接支持aio，例如一个叫做Ben LaHaise的人，就将aio实现成功merge到2.5.32中，这部分能力是作为patch存在的，但是，它依旧不支持套接字。
Solaris倒是有真正的系统系别的aio，不过还不是很确定它在套接字上的性能表现，特别是和磁盘I/O相比效果如何。
综合以上结论就是，Linux下对异步操作的支持非常有限，这也是为什么使用epoll等多路分发技术加上非阻塞I/O来解决Linux下高并发高性能网络I/O问题的根本原因。
Windows下的IOCP和Proactor模式
和Linux不同，Windows下实现了一套完整的支持套接字的异步编程接口，这套接口一般被叫做IOCompletetionPort(IOCP)。
这样，就产生了基于IOCP的所谓Proactor模式。
和Reactor模式一样，Proactor模式也存在一个无限循环运行的event loop线程，但是不同于Reactor模式，这个线程并不负责处理I/O调用，它只是负责在对应的read、write操作完成的情况下，分发完成事件到不同的处理函数。
这里举一个HTTP服务请求的例子来说明：
- 客户端发起一个GET请求；
- 这个GET请求对应的字节流被内核读取完成，内核将这个完成事件放置到一个队列中；
- event loop线程，也就是Poractor从这个队列里获取事件，根据事件类型，分发到不同的处理函数上，比如一个http handle的onMessage解析函数；
- HTTP request解析函数完成报文解析；
- 业务逻辑处理，比如读取数据库的记录；
- 业务逻辑处理完成，开始encode，完成之后，发起一个异步写操作；
- 这个异步写操作被内核执行，完成之后这个异步写操作被放置到内核的队列中；
- Proactor线程获取这个完成事件，分发到HTTP handler的onWriteCompled方法执行。
从这个例子可以看出，由于系统内核提供了真正的“异步”操作，Proactor不会再像Reactor一样，每次感知事件后再调用read、write方法完成数据的读写，它只负责感知事件完成，并由对应的handler发起异步读写请求，I/O读写操作本身是由系统内核完成的。和前面看到的aio的例子一样，这里需要传入数据缓冲区的地址等信息，这样，系统内核才可以自动帮我们把数据的读写工作完成。
无论是Reactor模式，还是Proactor模式，都是一种基于事件分发的网络编程模式。Reactor模式是基于待完成的I/O事件，而Proactor模式则是基于已完成的I/O事件，两者的本质，都是借由事件分发的思想，设计出可兼容、可扩展、接口友好的一套程序框架。
总结
和同步I/O相比，异步I/O的读写动作由内核自动完成，不过，在Linux下目前仅仅支持简单的基于本地文件的aio异步操作，这也使得我们在编写高性能网络程序时，首选Reactor模式，借助epoll这样的I/O分发技术完成开发；而Windows下的IOCP则是一种异步I/O的技术，并由此产生了和Reactor齐名的Proactor模式，借助这种模式，可以完成Windows下高性能网络程序设计。
思考题
和往常一样，给你布置两道思考题：
- 你可以查一查Linux的资料，看看为了在内核层面支持完全的异步I/O，Linux的世界里都发生了什么？
- 在例子程序里，aio_error一直处于占用CPU轮询异步操作的状态，有没有别的方法可以改进一下，比如挂起调用者、设置超时时间等？
欢迎你在评论区写下你的思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流进步一下。