一、What：异步IO是什么？
1. 一句话总结
允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成
2. 详细说说
一般来说，服务器端的I/O主要有两种情况：一是来自网络的I/O；二是对文件(设备)的I/O。Windows的异步I/O模型能很好的适用于这两种情况。而Linux针对前者提供了epoll模型，针对后者提供了AIO模型(关于是否把两者统一起来争论了很久)。
AIO的基本思想:
允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成，稍后或在接收到I/O操作完成通知时，进程可以检索I/O操作结果
在异步非阻塞I/O中，我们可以同时发起多个传输操作，这需要每个传输操作都有唯一的上下文，这样我们才能在他们完成时区分到底是哪个传输操作完成了，这个工作可以通过aiocb结构体进行区分。
其中，struct aiocb主要包含以下字段：
int aio_fildes; /* 要被读写的fd */
void * aio_buf; /* 读写操作对应的内存buffer */
__off64_t aio_offset; /* 读写操作对应的文件偏移 */
size_t aio_nbytes; /* 需要读写的字节长度 */
int aio_reqprio; /* 请求的优先级 */
struct sigevent aio_sigevent; /* 异步事件，定义异步操作完成时的通知信号或回调函数 */
二、Why：为什么需要异步IO，它能干啥？
对于服务器程序，I/O是制约系统性能最关键的因素。对于需要处理大量连接的高并发服务器程序，异步I/O几乎是不二的选择。应用场景包括：
1）Daemon程序用于处理大量并发请求。
2）读写大文件
三、How：异步IO怎么玩
在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O通道。在 UNIX®中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。
在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/O Control Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。
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API |
AIO接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。
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API 函数 |
说明 |
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请求异步读操作 |
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检查异步请求的状态 |
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获得完成的异步请求的返回状态 |
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请求异步写操作 |
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挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败） |
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取消异步 I/O 请求 |
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发起一系列 I/O 操作 |
每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。
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struct aiocb { int aio_fildes; // File Descriptor int aio_lio_opcode; // Valid only for lio_listio (r/w/nop) volatile void *aio_buf; // Data Buffer size_t aio_nbytes; // Number of Bytes in Data Buffer struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure ... }; |
sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。
aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：
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int aio_read( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。
要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。
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#include <aio.h> int main(int argc, char*argv[]) { int fd, ret; struct aiocb my_aiocb; fd = open( "file.txt", O_RDONLY ); if (fd < 0) perror("open"); bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1); if (!my_aiocb.aio_buf) perror("malloc"); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE; my_aiocb.aio_offset = 0; ret = aio_read( &my_aiocb ); if (ret < 0) perror("aio_read"); while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ; if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) { } else { } } |
在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定 aio_read的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。
注意使用这个API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。（如：my_aiocb.aio_offset= 0; ）
aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：
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int aio_error( struct aiocb *aiocbp ); |
这个函数可以返回以下内容：
EINPROGRESS，说明请求尚未完成
ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了
-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno
异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用aio_return 函数。这个函数的原型如下：
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ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp ); |
只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。
aio_write
aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：
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int aio_write( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。
这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。
aio_suspend
我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend 返回。 aio_suspend 的函数原型如下：
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int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout ); |
aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。
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struct aioct *cblist[MAX_LIST]； bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) ); cblist[0] = &my_aiocb; ret = aio_read( &my_aiocb ); ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL ); |
注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。
如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。
aio_cancel
aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：
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int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp ); |
要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。
要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回 AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么 aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。
lio_listio
最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：
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int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig ); |
mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。 LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。
对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。
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struct aiocb aiocb1, aiocb2; struct aiocb *list[MAX_LIST]; ... aiocb1.aio_fildes = fd; aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 ); aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE; aiocb1.aio_offset = next_offset; aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ; ... bzero( (char *)list, sizeof(list) ); list[0] = &aiocb1; list[1] = &aiocb2; ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL ); |
对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。
现在我们已经看过了可用的 AIO函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。
使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。
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void setup_io( ... ) { int fd; struct sigaction sig_act; struct aiocb my_aiocb; ... sigemptyset(&sig_act.sa_mask); sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO; sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler; bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL ); ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context ) { struct aiocb *req; if (info->si_signo == SIGIO) { req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } } return; } |
在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定 I/O 操作是否完成。
对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。
另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。
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void setup_io( ... ) { int fd; struct aiocb my_aiocb; ... bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD; my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler; my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( sigval_t sigval ) { struct aiocb *req; req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } return; } |
在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。
proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：
/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。
/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。
本节将探索 Linux 的异步 I/O 模型，从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这种技术。
在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O 通道。在 UNIX® 中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O 中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。
在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/OControl Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。
AIO API
AIO 接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。
表 1. AIO接口 API
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API 函数 |
说明 |
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请求异步读操作 |
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检查异步请求的状态 |
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获得完成的异步请求的返回状态 |
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请求异步写操作 |
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挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败） |
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取消异步 I/O 请求 |
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发起一系列 I/O 操作 |
每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。
清单 1.aiocb结构中相关的域
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struct aiocb { int aio_fildes; // File Descriptor int aio_lio_opcode; // Valid only for lio_listio (r/w/nop) volatile void *aio_buf; // Data Buffer size_t aio_nbytes; // Number of Bytes in Data Buffer struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure ... }; |
sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。
aio_read
aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：
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int aio_read( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。
要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。
清单 2.使用aio_read进行异步读操作的例子
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#include <aio.h> ... int fd, ret; struct aiocb my_aiocb; fd = open( "file.txt", O_RDONLY ); if (fd < 0) perror("open"); bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1); if (!my_aiocb.aio_buf) perror("malloc"); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE; my_aiocb.aio_offset = 0; ret = aio_read( &my_aiocb ); if (ret < 0) perror("aio_read"); while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ; if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) { } else { } |
在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定aio_read 的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。
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注意使用这个 API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。
aio_error
aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：
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int aio_error( struct aiocb *aiocbp ); |
这个函数可以返回以下内容：
EINPROGRESS，说明请求尚未完成
ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了
-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno
aio_return
异步 I/O 和标准块 I/O之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在 read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用 aio_return 函数。这个函数的原型如下：
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ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp ); |
只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。
aio_write
aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：
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int aio_write( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。
这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。
aio_suspend
我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend返回。 aio_suspend 的函数原型如下：
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int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout ); |
aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。
清单 3.使用 aio_suspend函数阻塞异步 I/O
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struct aioct *cblist[MAX_LIST]； bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) ); cblist[0] = &my_aiocb; ret = aio_read( &my_aiocb ); ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL ); |
注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。
如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。
aio_cancel
aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：
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int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp ); |
要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。
要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。
lio_listio
最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：
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int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig ); |
mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。 LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的 I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。
对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。
清单 4.使用 lio_listio函数发起一系列请求
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struct aiocb aiocb1, aiocb2; struct aiocb *list[MAX_LIST]; ... aiocb1.aio_fildes = fd; aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 ); aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE; aiocb1.aio_offset = next_offset; aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ; ... bzero( (char *)list, sizeof(list) ); list[0] = &aiocb1; list[1] = &aiocb2; ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL ); |
对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。
AIO 通知
现在我们已经看过了可用的 AIO 函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。
使用信号进行异步通知
使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。
清单 5.使用信号作为 AIO请求的通知
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void setup_io( ... ) { int fd; struct sigaction sig_act; struct aiocb my_aiocb; ... sigemptyset(&sig_act.sa_mask); sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO; sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler; bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL ); ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context ) { struct aiocb *req; if (info->si_signo == SIGIO) { req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } } return; } |
在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定 I/O 操作是否完成。
对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。
使用回调函数进行异步通知
另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。
清单 6.对 AIO请求使用线程回调通知
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void setup_io( ... ) { int fd; struct aiocb my_aiocb; ... bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD; my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler; my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( sigval_t sigval ) { struct aiocb *req; req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } return; } |
在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对 aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。
对 AIO 进行系统优化
proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：
/proc/sys/fs/aio-nr文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。
/proc/sys/fs/aio-max-nr文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。
本节将探索 Linux 的异步 I/O 模型，从而帮助我们理解如何在应用程序中使用这种技术。
在传统的 I/O 模型中，有一个使用惟一句柄标识的 I/O 通道。在 UNIX® 中，这些句柄是文件描述符（这对等同于文件、管道、套接字等等）。在阻塞 I/O 中，我们发起了一次传输操作，当传输操作完成或发生错误时，系统调用就会返回。
在异步非阻塞 I/O 中，我们可以同时发起多个传输操作。这需要每个传输操作都有惟一的上下文，这样我们才能在它们完成时区分到底是哪个传输操作完成了。在 AIO中，这是一个 aiocb（AIO I/OControl Block）结构。这个结构包含了有关传输的所有信息，包括为数据准备的用户缓冲区。在产生 I/O（称为完成）通知时，aiocb 结构就被用来惟一标识所完成的 I/O操作。这个 API的展示显示了如何使用它。
AIO API
AIO接口的 API 非常简单，但是它为数据传输提供了必需的功能，并给出了两个不同的通知模型。表 1 给出了 AIO 的接口函数，本节稍后会更详细进行介绍。
表 1. AIO接口 API
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API 函数 |
说明 |
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请求异步读操作 |
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检查异步请求的状态 |
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获得完成的异步请求的返回状态 |
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请求异步写操作 |
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挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败） |
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取消异步 I/O 请求 |
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发起一系列 I/O 操作 |
每个 API 函数都使用 aiocb 结构开始或检查。这个结构有很多元素，但是清单 1 仅仅给出了需要（或可以）使用的元素。
清单 1.aiocb结构中相关的域
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struct aiocb { int aio_fildes; // File Descriptor int aio_lio_opcode; // Valid only for lio_listio (r/w/nop) volatile void *aio_buf; // Data Buffer size_t aio_nbytes; // Number of Bytes in Data Buffer struct sigevent aio_sigevent; // Notification Structure ... }; |
sigevent 结构告诉 AIO 在 I/O 操作完成时应该执行什么操作。我们将在 AIO 的展示中对这个结构进行探索。现在我们将展示各个 AIO 的 API 函数是如何工作的，以及我们应该如何使用它们。
aio_read
aio_read 函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以表示一个文件、套接字甚至管道。aio_read 函数的原型如下：
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int aio_read( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_read 函数在请求进行排队之后会立即返回。如果执行成功，返回值就为 0；如果出现错误，返回值就为 -1，并设置 errno 的值。
要执行读操作，应用程序必须对 aiocb 结构进行初始化。下面这个简短的例子就展示了如何填充 aiocb 请求结构，并使用 aio_read 来执行异步读请求（现在暂时忽略通知）操作。它还展示了 aio_error 的用法，不过我们将稍后再作解释。
清单 2.使用aio_read进行异步读操作的例子
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#include <aio.h> ... int fd, ret; struct aiocb my_aiocb; fd = open( "file.txt", O_RDONLY ); if (fd < 0) perror("open"); bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_buf = malloc(BUFSIZE+1); if (!my_aiocb.aio_buf) perror("malloc"); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_nbytes = BUFSIZE; my_aiocb.aio_offset = 0; ret = aio_read( &my_aiocb ); if (ret < 0) perror("aio_read"); while ( aio_error( &my_aiocb ) == EINPROGRESS ) ; if ((ret = aio_return( &my_iocb )) > 0) { } else { } |
在清单 2 中，在打开要从中读取数据的文件之后，我们就清空了 aiocb 结构，然后分配一个数据缓冲区。并将对这个数据缓冲区的引用放到 aio_buf 中。然后，我们将 aio_nbytes 初始化成缓冲区的大小。并将aio_offset 设置成 0（该文件中的第一个偏移量）。我们将 aio_fildes 设置为从中读取数据的文件描述符。在设置这些域之后，就调用 aio_read 请求进行读操作。我们然后可以调用 aio_error 来确定 aio_read的状态。只要状态是 EINPROGRESS，就一直忙碌等待，直到状态发生变化为止。现在，请求可能成功，也可能失败。
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注意使用这个 API 与标准的库函数从文件中读取内容是非常相似的。除了 aio_read 的一些异步特性之外，另外一个区别是读操作偏移量的设置。在传统的 read 调用中，偏移量是在文件描述符上下文中进行维护的。对于每个读操作来说，偏移量都需要进行更新，这样后续的读操作才能对下一块数据进行寻址。对于异步 I/O 操作来说这是不可能的，因为我们可以同时执行很多读请求，因此必须为每个特定的读请求都指定偏移量。
aio_error
aio_error 函数被用来确定请求的状态。其原型如下：
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int aio_error( struct aiocb *aiocbp ); |
这个函数可以返回以下内容：
EINPROGRESS，说明请求尚未完成
ECANCELLED，说明请求被应用程序取消了
-1，说明发生了错误，具体错误原因可以查阅 errno
aio_return
异步 I/O 和标准块 I/O 之间的另外一个区别是我们不能立即访问这个函数的返回状态，因为我们并没有阻塞在read 调用上。在标准的 read 调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。但是在异步 I/O 中，我们要使用aio_return 函数。这个函数的原型如下：
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ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp ); |
只有在 aio_error 调用确定请求已经完成（可能成功，也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数。aio_return 的返回值就等价于同步情况中 read 或 write 系统调用的返回值（所传输的字节数，如果发生错误，返回值就为 -1）。
aio_write
aio_write 函数用来请求一个异步写操作。其函数原型如下：
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int aio_write( struct aiocb *aiocbp ); |
aio_write 函数会立即返回，说明请求已经进行排队（成功时返回值为 0，失败时返回值为 -1，并相应地设置 errno）。
这与 read 系统调用类似，但是有一点不一样的行为需要注意。回想一下对于 read 调用来说，要使用的偏移量是非常重要的。然而，对于 write 来说，这个偏移量只有在没有设置 O_APPEND 选项的文件上下文中才会非常重要。如果设置了 O_APPEND，那么这个偏移量就会被忽略，数据都会被附加到文件的末尾。否则，aio_offset 域就确定了数据在要写入的文件中的偏移量。
aio_suspend
我们可以使用 aio_suspend 函数来挂起（或阻塞）调用进程，直到异步请求完成为止，此时会产生一个信号，或者发生其他超时操作。调用者提供了一个 aiocb 引用列表，其中任何一个完成都会导致 aio_suspend 返回。 aio_suspend 的函数原型如下：
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int aio_suspend( const struct aiocb *const cblist[], int n, const struct timespec *timeout ); |
aio_suspend 的使用非常简单。我们要提供一个 aiocb 引用列表。如果任何一个完成了，这个调用就会返回0。否则就会返回 -1，说明发生了错误。请参看清单 3。
清单 3.使用aio_suspend函数阻塞异步 I/O
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struct aioct *cblist[MAX_LIST]； bzero( (char *)cblist, sizeof(cblist) ); cblist[0] = &my_aiocb; ret = aio_read( &my_aiocb ); ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL ); |
注意，aio_suspend 的第二个参数是 cblist 中元素的个数，而不是 aiocb 引用的个数。cblist 中任何NULL 元素都会被 aio_suspend 忽略。
如果为 aio_suspend 提供了超时，而超时情况的确发生了，那么它就会返回 -1，errno 中会包含 EAGAIN。
aio_cancel
aio_cancel 函数允许我们取消对某个文件描述符执行的一个或所有 I/O 请求。其原型如下：
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int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp ); |
要取消一个请求，我们需要提供文件描述符和 aiocb 引用。如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回 AIO_CANCELED。如果请求完成了，这个函数就会返回 AIO_NOTCANCELED。
要取消对某个给定文件描述符的所有请求，我们需要提供这个文件的描述符，以及一个对 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的请求都取消了，这个函数就会返回 AIO_CANCELED；如果至少有一个请求没有被取消，那么这个函数就会返回 AIO_NOT_CANCELED；如果没有一个请求可以被取消，那么这个函数就会返回 AIO_ALLDONE。我们然后可以使用 aio_error 来验证每个 AIO 请求。如果这个请求已经被取消了，那么 aio_error 就会返回 -1，并且 errno 会被设置为 ECANCELED。
lio_listio
最后，AIO 提供了一种方法使用 lio_listio API 函数同时发起多个传输。这个函数非常重要，因为这意味着我们可以在一个系统调用（一次内核上下文切换）中启动大量的 I/O 操作。从性能的角度来看，这非常重要，因此值得我们花点时间探索一下。lio_listio API 函数的原型如下：
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int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig ); |
mode 参数可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。 LIO_WAIT 会阻塞这个调用，直到所有的I/O 都完成为止。在操作进行排队之后，LIO_NOWAIT 就会返回。list 是一个 aiocb 引用的列表，最大元素的个数是由 nent定义的。注意 list 的元素可以为 NULL，lio_listio 会将其忽略。sigevent 引用定义了在所有 I/O 操作都完成时产生信号的方法。
对于 lio_listio 的请求与传统的 read 或 write 请求在必须指定的操作方面稍有不同，如清单 4 所示。
清单 4.使用 lio_listio函数发起一系列请求
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struct aiocb aiocb1, aiocb2; struct aiocb *list[MAX_LIST]; ... aiocb1.aio_fildes = fd; aiocb1.aio_buf = malloc( BUFSIZE+1 ); aiocb1.aio_nbytes = BUFSIZE; aiocb1.aio_offset = next_offset; aiocb1.aio_lio_opcode = LIO_READ; ... bzero( (char *)list, sizeof(list) ); list[0] = &aiocb1; list[1] = &aiocb2; ret = lio_listio( LIO_WAIT, list, MAX_LIST, NULL ); |
对于读操作来说，aio_lio_opcode 域的值为 LIO_READ。对于写操作来说，我们要使用 LIO_WRITE，不过LIO_NOP 对于不执行操作来说也是有效的。
AIO 通知
现在我们已经看过了可用的 AIO 函数，本节将深入介绍对异步通知可以使用的方法。我们将通过信号和函数回调来探索异步函数的通知机制。
使用信号进行异步通知
使用信号进行进程间通信（IPC）是 UNIX 中的一种传统机制，AIO 也可以支持这种机制。在这种范例中，应用程序需要定义信号处理程序，在产生指定的信号时就会调用这个处理程序。应用程序然后配置一个异步请求将在请求完成时产生一个信号。作为信号上下文的一部分，特定的 aiocb 请求被提供用来记录多个可能会出现的请求。清单 5 展示了这种通知方法。
清单 5.使用信号作为 AIO请求的通知
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void setup_io( ... ) { int fd; struct sigaction sig_act; struct aiocb my_aiocb; ... sigemptyset(&sig_act.sa_mask); sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO; sig_act.sa_sigaction = aio_completion_handler; bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ret = sigaction( SIGIO, &sig_act, NULL ); ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( int signo, siginfo_t *info, void *context ) { struct aiocb *req; if (info->si_signo == SIGIO) { req = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } } return; } |
在清单 5 中，我们在 aio_completion_handler 函数中设置信号处理程序来捕获 SIGIO 信号。然后初始化aio_sigevent 结构产生 SIGIO 信号来进行通知（这是通过 sigev_notify 中的 SIGEV_SIGNAL 定义来指定的）。当读操作完成时，信号处理程序就从该信号的 si_value 结构中提取出 aiocb，并检查错误状态和返回状态来确定I/O 操作是否完成。
对于性能来说，这个处理程序也是通过请求下一次异步传输而继续进行 I/O 操作的理想地方。采用这种方式，在一次数据传输完成时，我们就可以立即开始下一次数据传输操作。
使用回调函数进行异步通知
另外一种通知方式是系统回调函数。这种机制不会为通知而产生一个信号，而是会调用用户空间的一个函数来实现通知功能。我们在 sigevent 结构中设置了对 aiocb 的引用，从而可以惟一标识正在完成的特定请求。请参看清单 6。
清单 6.对 AIO请求使用线程回调通知
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void setup_io( ... ) { int fd; struct aiocb my_aiocb; ... bzero( (char *)&my_aiocb, sizeof(struct aiocb) ); my_aiocb.aio_fildes = fd; my_aiocb.aio_buf = malloc(BUF_SIZE+1); my_aiocb.aio_nbytes = BUF_SIZE; my_aiocb.aio_offset = next_offset; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD; my_aiocb.aio_sigevent.notify_function = aio_completion_handler; my_aiocb.aio_sigevent.notify_attributes = NULL; my_aiocb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &my_aiocb; ... ret = aio_read( &my_aiocb ); } void aio_completion_handler( sigval_t sigval ) { struct aiocb *req; req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; if (aio_error( req ) == 0) { ret = aio_return( req ); } return; } |
在清单 6 中，在创建自己的 aiocb 请求之后，我们使用 SIGEV_THREAD 请求了一个线程回调函数来作为通知方法。然后我们将指定特定的通知处理程序，并将要传输的上下文加载到处理程序中（在这种情况中，是个对aiocb 请求自己的引用）。在这个处理程序中，我们简单地引用到达的 sigval 指针并使用 AIO 函数来验证请求已经完成。
对 AIO 进行系统优化
proc 文件系统包含了两个虚拟文件，它们可以用来对异步 I/O 的性能进行优化：
/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系统范围异步 I/O 请求现在的数目。
/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允许的并发请求的最大个数。最大个数通常是 64KB，这对于大部分应用程序来说都已经足够了。
参考
http://blog.sina.com.cn/s/blog_3e3fcadd0100grgk.html