Scroll to navigation

AIO(7) Руководство программиста Linux AIO(7)

ИМЯ

aio - введение в асинхронный ввод-вывод POSIX

ОПИСАНИЕ

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:

aio_read(3)
Ставит запрос на чтение в очередь. Это асинхронный аналог read(2).
aio_write(3)
Ставит запрос на запись в очередь. Это асинхронный аналог write(2).
aio_fsync(3)
Ставит запрос синхронизации операций ввода-вывода над файловым дескриптором. Это асинхронный аналог fsync(2) и fdatasync(2).
aio_error(3)
Возвращает информацию о состоянии поставленного в очередь запроса ввода-вывода.
aio_return(3)
Возвращает информацию о выполненном запросе ввода-вывода.
aio_suspend(3)
Приостанавливает вызывающего до тех пор, пока не выполнится один или более указанных запросов ввода-вывода.
aio_cancel(3)
Пытается отменить ожидающие выполнения запросы ввода-вывода над заданным файловым дескриптором.
lio_listio(3)
Ставит в очередь сразу несколько запросов ввода-вывода за один вызов функции.

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:

Файловый дескриптор, над которым будут выполняться операции ввода-вывода.
Файловое смещение, начиная с которого будут выполняться операции ввода-вывода.
Буфер, используемый для пересылки данных при операции чтения или записи.
Размер буфера, на который указывает aio_buf.
В этом поле задаётся значение, которое вычитается из приоритета реального времени вызывающей нити, чтобы определить приоритет выполнения данного запроса ввода-вывода (смотрите pthread_setschedparam(3)). Указываемое значение должно быть в диапазоне от 0 и до значения, возвращаемого sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX). Данное поле игнорируется при операциях синхронизации файла.
В этом поле задаётся структура, которая указывает как вызывающему должно быть сообщено о завершении анонимной операции ввода-вывода. Возможные значения для aio_sigevent.sigev_notify: SIGEV_NONE, SIGEV_SIGNAL и SIGEV_THREAD. Подробности смотрите в sigevent(7).
Задаёт тип операции, которая будет выполнена; используется только в lio_listio(3).

В дополнении к стандартным функциям, перечисленным ранее, в библиотеке GNU C есть следующее расширение программного интерфейса POSIX AIO:

aio_init(3)
Позволяет изменить настройки поведения реализации glibc для POSIX AIO.

ОШИБКИ

Значение поля aio_reqprio структуры aiocb меньше 0 или больше, чем значение ограничения, возвращаемое вызовом sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX).

ВЕРСИИ

Интерфейсы POSIX AIO появились в glibc в версии 2.1.

СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ

POSIX.1-2001, POSIX.1-2008.

ЗАМЕЧАНИЯ

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.

ПРИМЕРЫ

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

Исходный код программы

#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)
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 sigaction sa;


    int s;


    int numReqs;        /* Total number of queued I/O requests */


    int openReqs;       /* Number of I/O requests still in progress */


    if (argc < 2) {


        fprintf(stderr, "Использование: %s <имя_файла> <имя_файла>...\n",


                argv[0]);


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    numReqs = argc - 1;


    /* выделяем место под массивы */


    struct ioRequest *ioList = calloc(numReqs, sizeof(*ioList));


    if (ioList == NULL)


        errExit("calloc");


    struct aiocb *aiocbList = calloc(numReqs, sizeof(*aiocbList));


    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 (int 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 (int j = 0; j < numReqs; j++) {


                if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {


                    printf("    Request %d on descriptor %d:", j,


                            ioList[j].aiocbp->aio_fildes);


                    s = aio_cancel(ioList[j].aiocbp->aio_fildes,


                            ioList[j].aiocbp);


                    if (s == AIO_CANCELED)


                        printf("I/O canceled\n");


                    else if (s == AIO_NOTCANCELED)


                        printf("I/O not canceled\n");


                    else if (s == AIO_ALLDONE)


                        printf("I/O all done\n");


                    else


                        perror("aio_cancel");


                }


            }


            gotSIGQUIT = 0;


        }


        /* проверяем состояние каждого запроса ввода-вывода, которые


           ещё не завершились */


        printf("aio_error():\n");


        for (int j = 0; j < numReqs; j++) {


            if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {


                printf("    for request %d (descriptor %d): ",


                        j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes);


                ioList[j].status = aio_error(ioList[j].aiocbp);


                switch (ioList[j].status) {


                case 0:


                    printf("I/O succeeded\n");


                    break;


                case EINPROGRESS:


                    printf("In progress\n");


                    break;


                case ECANCELED:


                    printf("Canceled\n");


                    break;


                default:


                    perror("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 (int 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);
}

СМ. ТАКЖЕ

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

ЗАМЕЧАНИЯ

Эта страница является частью проекта Linux man-pages версии 5.10. Описание проекта, информацию об ошибках и последнюю версию этой страницы можно найти по адресу https://www.kernel.org/doc/man-pages/.

ПЕРЕВОД

Русский перевод этой страницы руководства был сделан Dmitry Bolkhovskikh <d20052005@yandex.ru> и Yuri Kozlov <yuray@komyakino.ru>

Этот перевод является бесплатной документацией; прочитайте Стандартную общественную лицензию GNU версии 3 или более позднюю, чтобы узнать об условиях авторского права. Мы не несем НИКАКОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ.

Если вы обнаружите ошибки в переводе этой страницы руководства, пожалуйста, отправьте электронное письмо на man-pages-ru-talks@lists.sourceforge.net.

13 августа 2020 г. Linux