2.10 高性能异步IO机制：io_uring

news2025/1/16 21:40:31

一、io_uring的引入

为了方便说明io_uring的作用，先举一个通俗点的例子

1、通过异步提高读写的效率

假设有一批数量很大的货，需要分批次运到厂里处理。这个时候就有两种方式：
1）同步方式：运送一批到厂里，等厂里反馈OK了，再回来送下一批；
2）异步方式：送到厂里之后，不用等厂里反馈，直接回来接送下一批货。

哪一种方式比较好呢？当然如果货的数量不多，同步方式比较可靠，效率差别也不大。但如果面对数量很大，比如读取一个很大的数据包，那异步方式效率就会显著提高。

2、减少系统开销

另外，正常送货到工厂，需要开门进入，卸完货之后再出来。这样频繁的进出消耗很大。因此，可以在工厂门口开辟一块共享仓库，货车卸货进仓库，工厂从仓库里取货。

对应的，IO操作需要进行系统调用。而在调用系统调用时，会从用户态切换到内核态，进行上下文切换。在高 IOPS（Input/Output Per Second）的情况下，进行上下文切换会消耗大量的CPU时间。
在这里插入图片描述
io_uring为了减少系统调用带来的上下文切换，采用了用户态和内核态共享内存的方式。用户态对共享内存进行读写操作是不需要使用系统调用的，所以不会发生上下文切换的情况。
在这里插入图片描述

二、io_uring

1、内核接口

linux内核（5.10版本之后）为io_uring提供了三个接口
1）io_uring_setup：该函数用于初始化和配置 io_uring环境。该函数将返回一个文件描述符，称为 io_uring文件描述符，用于后续的 I/O 操作。

int io_uring_setup(unsigned entries, struct io_uring_params *p);
  • entries：指定io_uring 的入口数目，即同时处理的 I/O 事件数目。
  • p：指向 struct io_uring_params 结构的指针，用于传递其他配置参数。

2）io_uring_enter：该函数用于提交 I/O 事件并等待其完成。该函数将返回已完成的 I/O 事件数量。

int io_uring_enter(int fd, unsigned to_submit, unsigned min_complete, unsigned flags, sigset_t *sig);
  • fd：io_uring文件描述符。
  • to_submit：要提交的 I/O 事件数量。
  • min_complete：指定在返回之前至少完成的 I/O 事件数量。
  • flags：用于指定操作行为的标志。
  • sig：用于传递信号集，以便在等待期间阻塞特定的信号。

3）io_uring_register：该函数用于将文件描述符或内存区域与io_uring关联起来。该函数将返回注册的文件描述符或内存区域的索引，以便后续的 I/O 操作可以使用。

int io_uring_register(int fd, unsigned int opcode, const void *arg, unsigned int nr_args);
  • fd：io_uring文件描述符。
  • opcode：指定注册操作的类型，如文件描述符的注册或内存区域的注册。
  • arg：指向相关数据结构的指针，用于传递需要注册的文件描述符或内存区域的信息。
  • nr_args：指定相关参数的数量。

2、提交队列SQ和完成队列CQ

1）提交队列（Submission Queues，SQ）：环形队列，存放即将执行I/O操作的数据；
2）完成队列（Completion Queue, CQ）：环形队列，存放I/O操作完成返回后的结果；

对于提交队列，内核会将io_sq_ring结构映射到应用程序的内存空间，这样应用程序可以直接向io_sq_ring结构的环形队列提交I/O操作，内核可以通过io_sq_ring结构的环形队列读取I/O操作。这样不用通过系统调用，避免了上下文切换。

同样对于完成队列也是如此。

2.1 io_sq_ring 和 io_cq_ring

io_sq_ring结构用于向内核发起 I/O 操作请求，即将需要执行的 I/O 操作请求提交到队列中。io_sq_ring 中的array指向一个环形队列的SQE数组，该数组用于存储应用程序提交的I/O请求信息。每个SQE对应一个io_uring_sqe结构体，代表一个具体的 I/O 操作请求，其中包含了执行该操作所需的各种参数和信息。
在这里插入图片描述
同样对于io_cq_ring结构也是如此。需要特别注意的是结构体中res 的含义会有所不同：
对于读取操作（如 read()），res 表示成功读取的字节数。
对于写入操作（如 write()），res 表示成功写入的字节数。
对于 accept 操作（如 accept()），res 表示接受到的新连接的文件描述符（即，已连接套接字）。
在这里插入图片描述

3、io_uring的流程

io_uring的操作流程如下：
1）应用程序向 提交队列io_sq_ring提交I/O操作
2）SQ内核线程从 提交队列 中读取 I/O 操作。
3）SQ内核线程发起 I/O 请求。
4）I/O 请求完成后，SQ内核线程会将 I/O 请求的结果写入到 io_uring 的 完成队列io_cq_ring中。
5）应用程序可以从 完成队列io_cq_ring 中读取到 I/O 操作的结果。
在这里插入图片描述

三、liburing库

liburing是已经封装好io_uring的库

1、安装liburing

1）下载源码

sudo apt-get install git
git clone git://git.kernel.dk/liburing

2）进入liburing

cd liburing/

3）配置

./configure

4）编译和安装

make && sudo make install

5）配置pkg-config文件，以便其他程序能够使用已安装的liburing库

echo "/usr/local/lib/pkgconfig" | sudo tee /etc/ld.so.conf.d/usr-local-lib.conf >/dev/null
sudo ldconfig -v

6）编译应用程序

gcc -o uring uring.c -luring -static

2、接口

2.1 io_uring_queue_init_params()

执行io_uring_setup()系统调用来初始化io_uring队列。

int io_uring_queue_init_params(unsigned entries, struct io_uring *ring, const struct io_uring_params *p);

1）entries：指定 I/O uring 的入口数目，即同时处理的 I/O 事件数目。
2）ring：指向 struct io_uring 结构的指针，用于接收初始化后的 I/O uring 环境。
3）p：指向 struct io_uring_params 结构的指针，包含了自定义的初始化参数。

2.2 io_uring_get_sqe()

用于从 I/O uring 环境的 submission queue (SQ) 中获取一个 Submission Queue Entry (SQE)。通过获取 SQE，你可以将 I/O 操作请求添加到 I/O uring 中，并提交给内核进行处理。

struct io_uring_sqe *io_uring_get_sqe(struct io_uring *ring);

1）ring：指向 struct io_uring 结构的指针，表示要操作的 I/O uring 环境。
该函数返回一个指向 struct io_uring_sqe 结构的指针，该结构表示一个 Submission Queue Entry (SQE)。SQE 包含了要执行的 I/O 操作的详细信息

2.3 io_uring_prep_accept()

用于准备执行 accept 操作的 SQE (Submission Queue Entry)。通过使用 io_uring_prep_accept 函数，可以设置要接受连接的套接字描述符、新连接的文件描述符和连接地址等参数。

void io_uring_prep_accept(struct io_uring_sqe *sqe, int fd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);

1）sqe：一个指向 struct io_uring_sqe 结构的指针，表示要准备的 SQE。
2）fd：要接受连接的套接字描述符。
3）addr：一个指向 struct sockaddr 结构的指针，用于接收连接的远程地址信息。
4）addrlen：一个指向 socklen_t 类型的指针，表示 addr 缓冲区的长度。
5）flags：一个整数，用于设置一些额外的标志。

2.4 io_uring_prep_recv()

用于准备执行接收数据的 SQE (Submission Queue Entry)。通过使用 io_uring_prep_recv 函数，你可以设置要接收数据的套接字描述符以及数据缓冲区等参数。

void io_uring_prep_accept(struct io_uring_sqe *sqe, int fd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);

1）sqe：一个指向 struct io_uring_sqe 结构的指针，表示要准备的 SQE。
2）fd：要接受连接的套接字描述符。
3）addr：一个指向 struct sockaddr 结构的指针，用于接收连接的远程地址信息。
4）addrlen：一个指向 socklen_t 类型的指针，表示 addr 缓冲区的长度。
5）flags：一个整数，用于设置一些额外的标志。

2.5 io_uring_prep_send()

用于准备执行发送数据的 SQE (Submission Queue Entry)。通过使用 io_uring_prep_send 函数，你可以设置要发送数据的套接字描述符以及数据缓冲区等参数。

void io_uring_prep_send(struct io_uring_sqe *sqe, int fd, const void *buf, unsigned int len, int flags);

1）sqe：一个指向 struct io_uring_sqe 结构的指针，表示要准备的 SQE。
2）fd：要发送数据的套接字描述符。
3）buf：一个指向数据缓冲区的指针，包含要发送的数据。
4）len：一个无符号整数，表示数据缓冲区中要发送的数据长度。
5）flags：一个整数，用于设置一些额外的标志。

2.6 io_uring_submit()

用于提交 SQE (Submission Queue Entry) 到 I/O uring 环境中进行处理。

int io_uring_submit(struct io_uring *ring);

1）ring：一个指向 struct io_uring 结构的指针，表示要提交的 I/O uring 环境。
2）io_uring_submit 函数将等待队列中的 SQEs 进行提交，并触发 I/O uring 环境的处理。

函数返回已提交的 SQE 数量，或者在出现错误时返回负数

2.7 io_uring_wait_cqe()

用于等待完成队列项（Completion Queue Entry，CQE）的到来。

int io_uring_wait_cqe(struct io_uring *ring, struct io_uring_cqe **cqe_ptr);

1）ring：指向 struct io_uring 的指针，表示I/O uring环境。
2）cqe_ptr：指向CQE指针的指针，用于存储返回的已完成CQE。

io_uring_wait_cqe() 函数会阻塞当前线程，直到有已完成的CQE可用。一旦有CQE可用，函数将填充 cqe_ptr 指向的指针，并返回0。

2.8 io_uring_peek_batch_cqe()

用于批量获取已完成的CQE（Completion Queue Entry）而无需等待.

int io_uring_peek_batch_cqe(struct io_uring *ring, struct io_uring_cqe **cqes, unsigned int count);

1）ring：指向 struct io_uring 的指针，表示I/O uring环境。
2）cqes：一个指向指针数组的指针，用于存储返回的已完成CQE。
3）count：要获取的CQE数量。

io_uring_peek_batch_cqe() 函数会尝试从I/O uring环境中立即获取指定数量的已完成CQE，并将它们存储到 cqes 指向的指针数组中。如果成功获取了指定数量的CQE，函数将返回成功接收到并处理完毕的I/O事件数量，否则将返回负值。

2.9 io_uring_cq_advance()

用于标记完成队列（Completion Queue，CQ）上已经处理的CQE数量。当一个或多个CQE被处理后，需要调用io_uring_cq_advance()函数来更新下一次读取CQE时应该从哪个位置开始。

void io_uring_cq_advance(struct io_uring *ring, unsigned int steps);

1）ring：指向 struct io_uring 的指针，表示 I/O uring 环境。
2）steps：要向前推进的步数，即要消耗的 CQE 数量。

io_uring_cq_advance() 函数将指定数量的已完成的 CQE 标记为已消耗，从而使 I/O uring 可以继续接收新的 CQE。

2.10 io_uring_cq_advance()

用于推进完成队列（Completion Queue）中的消费指针，即更新消费指针的位置。以告知 I/O uring 已经成功处理了一定数量的完成事件，并且可以释放这些事件所占用的资源。

void io_uring_cq_advance(struct io_uring *ring, unsigned int count);

1）ring 是指向 struct io_uring 的指针，代表 I/O uring 环境。
2）count 是要推进的完成事件数量。

三、liburing的TCP服务器实现

基于liburing，实现多个TCP服务器的收发
在这里插入图片描述


#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>

#include <liburing.h>


#define ENTRIES_LENGTH		1024

enum {
 	EVENT_ACCEPT = 0,
	EVENT_READ,
	EVENT_WRITE   
};

typedef struct _conninfo{
    int connfd;
    int event;
}conninfo;

//设置accept事件所需的信息，并将其与相应的 SQE 关联起来
void set_accept_event(struct io_uring *ring, int sockfd, struct sockaddr *addr, 
                        socklen_t *addrlen, int flags){
    //获取一个SQE
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);

    //准备执行accept操作的SQE
    io_uring_prep_accept(sqe, sockfd, addr, addrlen, flags);

    //创建了一个结构体变量 info_accept，其中存储了与连接相关的信息
    conninfo info_accept = {
        .connfd = sockfd,
        .event = EVENT_ACCEPT
    };

    memcpy(&sqe->user_data, &info_accept, sizeof(info_accept));

}

//设置recv事件所需的信息，并将其与相应的 SQE 关联起来
void set_recv_event(struct io_uring *ring, int sockfd, void *buf, size_t len, int flags){
    
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);

    io_uring_prep_recv(sqe, sockfd, buf, len, flags);

    conninfo info_recv = {
        .connfd = sockfd,
        .event = EVENT_READ
    };

    memcpy(&sqe->user_data, &info_recv, sizeof(info_recv));
}

//设置send事件所需的信息，并将其与相应的 SQE 关联起来
void set_send_event(struct io_uring *ring, int sockfd, void *buf, size_t len, int flags){
    
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);

    io_uring_prep_send(sqe, sockfd, buf, len, flags);

    conninfo info_send = {
        .connfd = sockfd,
        .event = EVENT_WRITE
    };

    memcpy(&sqe->user_data, &info_send, sizeof(info_send));
}


int main(){

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){
        printf("bind failed:%s\n",strerror(errno));
        return -1;
    }

    listen(sockfd, 10);

    //linuring


    struct io_uring_params params;
    memset(&params, 0 ,sizeof(struct io_uring_params));

    struct io_uring ring;
    //初始化io_uring队列
    io_uring_queue_init_params(ENTRIES_LENGTH, &ring, &params);

    //获取一个SQE
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t clilen = sizeof(struct sockaddr);

    //设置accept事件所需的信息，并将其与相应的 SQE 关联起来
    set_accept_event(&ring, sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clilen, 0);

    char buffer[1024] = {0};

    while (1){

        //提交 SQE
        io_uring_submit(&ring);

        struct io_uring_cqe *cqe;
        //等待完成队列项cqe
        io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);

        struct io_uring_cqe *cqes[10];
        //批量获取已完成IO操作的CQE
        int cqecount = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, 10);

        int i = 0;
        for (i = 0; i < cqecount; i++){

            cqe = cqes[i];

            conninfo ci;
            memcpy(&ci, &cqe->user_data, sizeof(ci));

            if (ci.event == EVENT_ACCEPT){ //此时已经完成accept

                if (cqe->res < 0) continue;

                int connfd = cqe->res;  

                //在已接受连接的connfd上设置recv事件处理器，以便处理已建立连接的数据接收操作。
                set_recv_event(&ring, connfd, buffer, 1024, 0); //此处的connfd表示已建立连接的fd，clientfd

                //重新设置接受连接的事件，以便处理新连接的接受操作。
                set_accept_event(&ring, ci.connfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clilen, 0); //此处的connfd表示新连接的fd，listenfd
                
            }else if (ci.event == EVENT_READ){//此时已经完成read

                if (cqe->res < 0) continue;
                if (cqe->res == 0){
                    close(ci.connfd);
                }else{

                    printf("recv --> %s, %d\n", buffer, cqe->res);
                    
                    //重新设置写的事件，以便回发
                    set_send_event(&ring, ci.connfd, buffer, cqe->res, 0);

                }
            } else if (ci.event == EVENT_WRITE){//此时已经完成write
                
                //重新设置读的事件
                set_recv_event(&ring, ci.connfd, buffer, 1024, 0);
            }
        }
    
        io_uring_cq_advance(&ring, cqecount);
    }

    getchar();

}

在这里插入图片描述

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