linux AIO -- libaio 实现的异步 IO 简介及实现原理

struct iocb
{
    /*
     * 请求类型
     * 如：IOCB_CMD_PREAD=读、IOCB_CMD_PWRITE=写、等
     */
    __u16     aio_lio_opcode;
    /*
     * 要被操作的fd
     */
    __u32     aio_fildes;
    /*
     * 读写操作对应的内存buffer
     */
    __u64     aio_buf;
    /*
     * 需要读写的字节长度
     */
    __u64     aio_nbytes;
    /*
     * 读写操作对应的文件偏移
     */
    __s64     aio_offset;
    /*
     * 请求可携带的私有数据
     * 在io_getevents时能够从io_event结果中取得）
     */
    __u64     aio_data;
    /*
     * 可选IOCB_FLAG_RESFD标记
     * 表示异步请求处理完成时使用eventfd进行通知
     */
    __u32     aio_flags;
    /*
     * 有IOCB_FLAG_RESFD标记时，接收通知的eventfd
     */
    __u32     aio_resfd;
}

struct io_event
{
    /*
     * 对应iocb的aio_data的值
     */
    __u64     data;
    /*
     * 指向对应iocb的指针
     */
    __u64     obj;
    /*
     * 对应IO请求的结果
     * >=0: 相当于对应的同步调用的返回值；<0: -errno
     */
    __s64     res;
}

struct kioctx
{
    /*
     * 调用者进程对应的内存管理结构
     * 代表了调用者的虚拟地址空间
     */
    struct mm_struct*     mm;
    /*
     * 上下文ID，也就是io_context_t句柄的值
     * 等于ring_info.mmap_base
     */
    unsigned long         user_id;
    /*
     * 属于同一地址空间的所有kioctx结构通过这个list串连起来
     * 链表头是mm->ioctx_list
     */
    struct hlist_node     list;
    /*
     * 等待队列
     * io_getevents系统调用可能需要等待
     * 调用者就在该等待队列上睡眠
     */
    wait_queue_head_t     wait;
    /*
     * 进行中的请求数目
     */
    int                   reqs_active;
    /*
     * 进行中的请求队列
     */
    struct list_head      active_reqs;
    /*
     * 最大请求数
     * 对应io_setup调用的int maxevents参数
     */
    unsigned              max_reqs;
    /*
     * 需要aio线程处理的请求列表
     * 某些情况下，IO请求可能交给aio线程来提交
     */
    struct list_head      run_list;
    /*
     * 延迟任务队列
     * 当需要aio线程处理请求时，将wq挂入aio线程对应的请求队列
     */
    struct delayed_work   wq;
    /*
     * 存放请求结果io_event结构的ring buffer
     */
    struct aio_ring_info  ring_info;
}

struct aio_ring_info
{
    unsigned long    mmap_base;    // ring buffer 的首地址
    unsigned long    mmap_size;    // ring buffer 空间大小
    struct page**    ring_pages;    // ring buffer 对应的 page 数组
    long            nr_pages;    // 分配空间对应的页面数目
    unsigned        nr;            // io_event 的数目
    unsigned        tail;        // io_event 的存取游标
}

unsigned    id;        // 等于 aio_ring_info 中的 user_id
unsigned    nr;        // 等于 aio_ring_info 中的 nr
unsigned    head;    // io_events 数组队首
unsigned    tail;    // io_events 数组游标
unsigned    magic;    // 用于确定数据结构有没有异常篡改
unsigned    compat_features;
unsigned    incompat_features;
unsigned    header_length;    // aio_ring 结构大小
struct io_event    *io_events;    // io_event buffer 首地址

struct kiocb
{
    struct kioctx*        ki_ctx;           /* 请求对应的kioctx（上下文结构）*/
    struct list_head    ki_run_list;      /* 需要aio线程处理的请求，通过该字段链入ki_ctx->run_list */
    struct list_head    ki_list;          /* 链入ki_ctx->active_reqs */
    struct file*        ki_filp;          /* 对应的文件指针*/
    void __user*        ki_obj.user;      /* 指向用户态的iocb结构*/
    __u64                ki_user_data;     /* 等于iocb->aio_data */
    loff_t                ki_pos;           /* 等于iocb->aio_offset */
    unsigned short        ki_opcode;        /* 等于iocb->aio_lio_opcode */
    size_t                ki_nbytes;        /* 等于iocb->aio_nbytes */
    char __user *        ki_buf;           /* 等于iocb->aio_buf */
    size_t                ki_left;          /* 该请求剩余字节数（初值等于iocb->aio_nbytes）*/
    struct eventfd_ctx*    ki_eventfd;       /* 由iocb->aio_resfd对应的eventfd对象*/
    ssize_t (*ki_retry)(struct kiocb *);  /*由ki_opcode选择的请求提交函数*/
}