x4412&ibox项目实战41－Linux设备驱动之异步I/O实验

armeasy · 发表于 2014-10-12 12:11:43

Linux中最常用的输入/输出模型是同步I/O。在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足为止。这是很好的一种解决方案，因为调用应用程序在等待I/O 请求完成时不需要使用任何中央处理单元。但是在某些情况中，I/O请求可能需要与其他进程产生交叠。可移植操作系统接口异步I/O（AIO）应用程序接口就提供了这种功能。

1.1.1 AIO简介

Linux异步I/O是Linux内核中提供的一个相当新的增强。它是2.6版本内核的一个标准特性，但是我们在2.4版本内核的补丁中也可以找到它。AIO背后的基本思想是允许进程发起很多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操作完成的通知时，进程就可以检索I/O操作的结果。

1.1.2 I/O模型

在深入介绍AIO API之前，让我们先来探索一下Linux上可以使用的不同I/O模型。这并不是一个详尽的介绍，但是我们将试图介绍最常用的一些模型来解释它们与异步I/O之间的区别。下给出了同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

每个I/O模型都有自己的使用模式，它们对于特定的应用程序都有自己的优点。本节将简要对其一一进行介绍。

1.1.1 同步阻塞I/O

最常用的一个模型是同步阻塞I/O模型。在这个模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用，这会导致应用程序阻塞。这意味着应用程序会一直阻塞，直到系统调用完成为止。调用应用程序处于一种不再消费CPU而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。

上图给出了传统的阻塞I/O模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用read系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞，即read调用返回。

从应用程序的角度来说，read调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

1.1.1 同步非阻塞I/O

同步阻塞I/O的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着I/O操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN或EWOULDBLOCK），如下所示。

　　非阻塞的实现是I/O命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。正上图所示的一样，这个方法可以引入I/O操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用read返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

1.1.1 异步阻塞I/O

　　另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞I/O。在这种模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个I/O描述符何时有操作。使用select调用可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

　　select调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的I/O操作来说不建议使用。

1.1.1 异步非阻塞I/O（AIO）

异步非阻塞I/O模型是一种处理与I/O重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序会执行其他处理操作。当read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次I/O处理过程。

在一个进程中为了执行多个I/O请求而对计算操作和I/O处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与I/O速度之间的差异。当一个或多个I/O请求挂起时，CPU可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他I/O的同时对已经完成的I/O进行操作。

1.1.1 异步I/O的动机

从前面I/O模型的分类中，我们可以看出AIO的动机。这种阻塞模型需要在I/O操作开始时阻塞应用程序。这意味着不可能同时重叠进行处理和I/O操作。同步非阻塞模型允许处理和I/O操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查I/O操作的状态。这样就剩下异步非阻塞I/O了，它允许处理和I/O操作重叠进行，包括I/O操作完成的通知。除了需要阻塞之外，select 函数所提供的功能（异步阻塞I/O）与AIO类似。不过，它是对通知事件进行阻塞，而不是对I/O调用进行阻塞。

1.1.2 AIO接口API

API 函数	说明
aio_read	请求异步读操作
aio_error	检查异步请求的状态
aio_return	获得完成的异步请求的返回状态
aio_write	请求异步写操作
aio_suspend	挂起调用进程，直到一个或多个异步请求已经完成（或失败）
aio_cancel	取消异步 I/O 请求
lio_listio	发起一系列 I/O 操作

AIO具有两种通知方法，使用回调函数或信号进行异步通知。下面我们将结合实例加深对AIO的理解。

编写应用程序，使用回调函数的方式进行异步通知，读取当前目录下的某文件，并将读取的内容打印出来。

在ubuntu用户目录或samba目录下新建应用程序x4412-aio-app.c，编辑内容如下：

#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define S_IRUSR 00400
#define S_IWUSR 00200
void async_read(sigval_t val)
{
int ret;
struct aiocb *ptr = (struct aiocb *)val.sival_ptr;
if(aio_error(ptr)==0)//AIO请求完成?
{
//请求完成,获得返回值
ret = aio_return(ptr);
printf("ret = %d\r\n",ret);
printf("read=%s\r\n", (char *)ptr->aio_buf);
}
}
int main(void)
{
int fd;
struct aiocb cb;//API函数通过此结构检查
char sbuf[100];
int ret;
//以可读写的方式打开文件,同时应用对该文件也可读写
fd = open("x4412",O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR);
bzero(&cb, sizeof(cb));//清空aiocb结构
cb.aio_fildes = fd;//指向hello文件
cb.aio_buf = sbuf;
cb.aio_nbytes = 100;
cb.aio_offset = 0;//设置文件偏移量为0
/*设置回调函数*/
cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;//请求一个线程回调函数
cb.aio_sigevent.sigev_notify_function = async_read;//连接线程回调函数
cb.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = NULL;
cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb;
//发送异步读请求
ret = aio_read(&cb);
if (ret == -1)
{
perror("aio_read");
exit(1);
}
int i = 0;
while (1)
{
printf("%d\n",i++);
sleep(1);
}
return 0;
}

复制代码

程序开始声明了一个aiocb结构体，并初始化为0。以可读可写的方式打开一个名叫x4412的文件，以供后续读取操作。对aiocb结构体进行了一些必要的初始化，并设置完回调函数后，即调用aio_read函数发送异步读请求，然后进入死循环，等待回调函数读取文件。

在回调函数async_read中，通过aio_error函数检查异步请求是否完成。当请求完成后，再调用aio_return函数获取返回值，它将返回从文件中读取的字符串的长度。读取的内容被记录在ptr->aio_buf中，可以通过printf函数将它的内容打印出来。

使用如下指令编译应用程序：

arm-none-linux-gnueabi-gcc x4412-aio-app.c -ox4412-aio-app –lrt

在测试应用程序时，首先在开发板的应用程序所在目录新建一个名为x4412的文件，并输入一些字符串，再执行应用程序观看效果。

[root@x4412 mnt]# touch x4412
[root@x4412 mnt]# echo 'i love x4412 board,i love ibox too.' > x4412
[root@x4412 mnt]# ./x4412-aio-app
0
ret = 36
read=i love x4412 board,i love ibox too.
1
2
3
4
[root@x4412 mnt]#

复制代码

编写应用程序，使用信号的方式进行异步通知，读取当前目录下的某文件，并将读取的内容打印出来。

在ubuntu用户目录或samba目录下新建应用程序x4412-aio-signal-app.c，编辑内容如下：

#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define S_IRUSR 00400
#define S_IWUSR 00200
void x4412_aio_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context)
{
int ret;
struct aiocb *ptr = (struct aiocb *)info->si_value.sival_ptr;
if(aio_error(ptr)==0)//AIO请求完成?
{
//请求完成,获得返回值
ret = aio_return(ptr);
printf("signo = %d,ret = %d\r\n",signo,ret);
printf("read=%s\r\n", (char *)ptr->aio_buf);
}
}
int main(void)
{
int fd;
struct sigaction sig_act;
struct aiocb cb;//API函数通过此结构检查
char sbuf[100];
int ret;
//以可读写的方式打开文件,同时应用对该文件也可读写
fd = open("x4412",O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR);
if(fd==-1)
{
printf("open file x4412 error!\r\n");
return -1;
}
sigemptyset(&sig_act.sa_mask);
sig_act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sig_act.sa_sigaction = x4412_aio_handler;
bzero(&cb, sizeof(cb));//清空aiocb结构
cb.aio_fildes = fd;//指向hello文件
cb.aio_buf = sbuf;
cb.aio_nbytes = 100;
cb.aio_offset = 0;//设置文件偏移量为0
/*设置回调函数*/
cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;//请求一个信号通知
cb.aio_sigevent.sigev_signo = SIGIO;//指定信号类型
cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &cb;
ret = sigaction(SIGIO, &sig_act,NULL);
//发送异步读请求
ret = aio_read(&cb);
if (ret == -1)
{
perror("aio_read");
exit(1);
}
int i = 0;
while (1)
{
printf("%d\n",i++);
sleep(1);
}
return 0;
}

复制代码

从源码可以看出，使用信号或使用回调函数通知的总体框架基本相同。使用如下指令编译应用程序：

arm-none-linux-gnueabi-gcc x4412-aio-signal-app.c -o x4412-aio-signal-app –lrt

复制代码

在测试应用程序时，首先在开发板的应用程序所在目录新建一个名为x4412的文件，并输入一些字符串，再执行应用程序观看效果。

[root@x4412 mnt]# touch x4412
[root@x4412 mnt]# echo 'i love x4412 board.' > x4412
[root@x4412 mnt]# ./x4412-aio-signal-app
0
signo = 29,ret = 20
read=i love x4412 board.
1
2
3
4
[root@x4412 mnt]#

复制代码

可在x4412开发板或ibox卡片电脑上运行的测试程序映像：

x4412-aio-app (6.77 KB, 下载次数: 7)

x4412-aio-signal-app (7.25 KB, 下载次数: 6)