【io_uring】简介和使用
阅读原文时间:2023年08月25日阅读:2

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io_uring 是 Linux 在 5.1 版本引入的一套新的异步 IO 实现。相比 Linux 在 2.6 版本引入的 AIO,io_uring 性能强很多,接近 SPDK[1],同时支持 buffer IO

io_uring 的作者 Jens Axboe 是 Linux 内核块层和其他块设备的维护者,同时也是 CFQ、Noop、Deadline 调度器、blktrace 以及 FIO 的作者,对内核块层非常熟悉

系统调用

io_uring 只增加了三个 Linux 系统调用分别是 io_uring_setupio_uring_enterio_uring_register

他们的入口都在 Linux 内核源码的 fs/io_uring.c 文件中

用户程序可以直接利用 syscall(__NR_xxx, ……) 的方式直接调用,使用起来很麻烦

liburing

由于直接使用系统调用较为复杂,Jens Axboe 还提供了封装好的用户态库 liburing,简化了 io_uring 的使用,代码位置在 github

样例

liburing 仓库的 examples/ 目录下提供了几个简单的样例程序:

文件

功能

其他

io_uring-test.c

读取一个文件的全部内容

-

io_uring-cp.c

复制一个文件的内容到另一个文件

利用 user_data 手动处理读写 IO 之间的依赖,读 IO 返回之后才下发写 IO

link-cp.c

复制一个文件的内容到另一个文件

同时下发读写,利用 IOSQE_IO_LINK 保证读写之间的依赖[2]

ucontext-cp.c

复制 n 个文件的内容到另 n 个文件

利用 ucontext 进行上下文切换,模拟协程

代码流程

仔细阅读前三个用例,可以看出利用 io_uring 的一般流程如下:

  • 利用 openfstat 等函数来打开文件以及元数据查看等操作

    • 因为 io_uring 替换的是读写接口,后续 io_uring 操作的对象是 fd(由 open 函数执行返回的)
  • 利用 io_uring_queue_init 初始化 struct io_uring ring 结构体

  • 初始化 struct iovec *iovecs 结构体用于存放用户态 buffer 指针和长度

  • 通过 io_uring_get_sqe 获取 sqe

  • 通过 io_uring_prep_#OPsqe 填充命令,buffer 以及 offset 信息

    • 【可选】 通过 io_uring_sqe_set_datasqe 附加 user_data 信息(该信息会在 cqe 中进行返回)
  • 通过 io_uring_submit 对整个 ring 的所有 sqe 进行下发

  • 通过 io_uring_wait_cqe 或者 io_uring_peek_cqe 来获取 cqe

    • io_uring_wait_cqe 会阻塞当前线程直到有一个 cqe 返回
    • io_uring_peek_cqe 不会阻塞,如果当前没有 cqe,就会返回错误
    • io_uring_cqe_get_data 可以从 cqe 中获取 user_data
  • 通过 io_uring_cqe_seen 对当前 cqe 进行清除,避免被二次处理

  • 所有 IO 完成后,通过 io_uring_queue_exitring 销毁

根据官方 Makefile 可以看出编译时有额外的三个条件

  • 定义 _GNU_SOURCE 宏,-D 宏定义
  • 指定额外的头文件目录,-I 指定头文件目录位置
  • 使用 liburing 库,-L 指定库位置,-l 指定库名

gcc -D_GNU_SOURCE -I../src/include/ -L../src/ -luring -o test test.c

其中头文件目录下主要有三个头文件:

$ tree src/include/
src/include/
├── liburing
│   ├── barrier.h
│   └── io_uring.h
└── liburing.h

1 directory, 3 files

liburing 库也需要编译生成,推荐直接在 liburing 的顶层目录直接 make all

本文作者: ywang_wnlo
本文链接: https://ywang-wnlo.github.io/posts/c142853f.html
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