Linux驱动学习笔记：异步IO
前言前几篇介绍了几种io模型，今天介绍另一种io模型——异步io。
相对于前面的几种io模型，异步io在提交完io操作请求后就立即返回，程序不需要等到io操作完成再去做别的事情，具有非阻塞的特性。
当底层把io操作完成后，可以给提交者发送信号，或者调用注册的回调函数，告知请求提交者io操作已完成。
在信号处理函数或者回调函数中，可以使用异步io接口来获得io的完成情况，比如获取读写操作返回的字节数或错误码、读取的数据等。
相关接口struct aiocb结构体struct aiocb { int aio_fildes; /* file descriptor */ off_t aio_offset; /* file offset for i/o */ volatile void *aio_buf; /* buffer for i/o */ size_t aio_nbytes; /* number of bytes tdo transfer */ int aio_reqprio; /* priority */ struct sigevent aio_sigevent; /* signal information */ int aio_lio_opcode; /* operation for list i/o */};aio_fildes：操作的文件描述符
aio_offset：偏移量，读写操作的起始位置
aio_buf：读写操作的数据缓冲区
aio_nbytes：传输数据的字节数
aio_reqprio：请求权限
aio_lio_opcode：操作码，表示读还是写，lio_read代表读，lio_write代表写。
struct sigevent结构体struct sigevent { int sigev_notify; /* notify type */ int sigev_signo; /* signal number */ union sigval sigev_value; /* notify argument */ void (*sigev_notify_function)(union sigval); /* notify function */ pthread_attr_t *sigev_notify_attributes; /* notify attrs */};sigev_notify：通知类型。sigev_none表示不通知；sigev_signal表示io操作完成后，收到sigev_signo指定的信号；sigev_thread表示io操作完成，内核会创建一个新线程执行一个回调函数，函数由sigev_notify_function指定
sigev_signo：指定的信号
sigev_notify_function：回调函数
sigev_notify_attributes：使用默认属性，一般设置为null
应用层异步io读写函数：
#include int aio_read(struct aiocb *aiocb);int aio_write(struct aiocb *aiocb); //返回值：成功返回0;失败返回-1获取一个异步读、写或者同步操作的完成状态：
#include int aio_error(const struct aiocb *aiocb);调用aio_return函数，可以用来判断异步io的执行情况
#include ssize_t aio_return(const struct aiocb *aiocb);下面以一个实际例子说明异步io的用法
应用层#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include void aiow_completion_handler (sigval_t sigval){ int ret; struct aiocb *req; req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; if (aio_error(req) == 0) { ret = aio_return (req) ; printf (aio write %d bytes\\n, ret); } return;}void aior_completion_handler ( sigval_t sigval ){ int ret; struct aiocb *req; req = (struct aiocb * )sigval.sival_ptr; if (aio_error (req > == 0 ) { ret = aio_return (req); if (ret) printf (aio read: %s\\n, (char * ) req- >aio_buf ); } return;} int main(int argc, char *argv []){ int ret; int fd; struct aiocb aiow,aior; fd = open(/dev/vser0, o_rdwr); if (fd == -1) goto fail; memset (&aiow, 0, sizeof (aiow)); memset (&aior, 0, sizeof (aior)); aiow.aio_fildes = fd; aiow.aio_buf = malloc(32); strcpy((char *)aiow.aio_buf,aio test); aiow.aio_nbytes = strlen ( (char * ) aiow.aio_buf ) + 1; aiow.a*io_of f set = 0; aiow.aio_sigevent.sigev_notify = sigev_thread; aiow.aio_sigevent.sigev_notify_function = aiow_completion_handler; aiow.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = null; aiow.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &aiow; aior.aio_fildes = fd; aior.aio_buf = malloc (32); aior.aio_nbytes = 32; aior.aio_offset = 0; aior.aio_sigevent •sigev_notify = sigev_thread; aior.aio_sigevent.sigev_notify_function = aior_completion_handler; aior.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = null; aior.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &aior; while(1){ if(aio_write(&aiow) == -1) goto fail; if(aio_read(&aior) == -1) goto fail; sleep(1); } fail: perror(aio test); exit(exit_failure);}1、首先定义两个用于读和写的异步io控制块struct aiob
2、初始化异步io控制块，包括文件描述符、用读写的缓冲区、读写的字节数和回调函数
3、发起一个异步操作， 调用aio_wirte或者aio_read，该函数会立即返回，具体的读写操作会在驱动中完成 。
4、读写完成后，对应的回调函数会被自动调用
在写操作回调函数中，通过aio_error和aio_return获取了io操作的错误码及实际的写操作的返回值。
在读操作回调函数中，除了可以获取完成状态，还可以从aio_buf中获取读取的数据。
注意这里的关键点：1、 调用aio_wirte或者aio_read，该函数会立即返回，具体的读写操作会在驱动中完成 。2、读写完成后，对应的 回调函数会被自动调用 。
驱动层驱动中异步io相关代码如下：
define_kfifo(vsfifo, char, 32);static ssize_t my_read(struct file *flip, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos){ int ret; unsigned int copied = 0; ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied); return ret == 0 ? copied : ret;}static ssize_t my_write(struct file *flip, const char __user *buf, size_t count, loff_tt *pos){ int ret; unsigned int copied = 0; ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied); return ret == 0 ? copied :ret;}static ssize_t my_aio_read (struct kiocb *iocb, const struct iovec *iov, unsigned long nr_segs, loff_t pos){ size_t read = 0; unsigned long i; ssize_t reg; for(i = 0; i ki_filp, iov[i].iov_base, iov[i].iov_len, &pos); if(ret < 0) break; read += ret; } return read ? read : -efault;}static ssize_t my_aio_write (struct kiocb *iocb, const struct iovec *iov, unsigned long nr_segsf loff_t pos){ size_t written = 0; unsigned longi; ssize t ret; for (i = 0;i lci_filp, iov [i].iov_base, iov [i].iov_len, &pos); if(ret < 0) break; written += ret; } return written ? written : -efault;}static struct file_operations my_ops = {...... .aio_read = my_aio_read, .aio_write = my_aio_write,}从驱动中可以看到，我们分别实现了两种读写函数my_read、my_write和my_aio_read、my_aio_write。
在一般的读写操作函数实现中，是这样的：
static struct file_operations my_ops = {...... .read = my_read, .write = my_write,}my_read()和my_wirte()函数实际上实现的是struct file_operations的.read和.write接口。
但是在异步io的实现中，``my_aio_read()和my_aio_write()分别实现的是.aio_read和.aio_write`接口：
static struct file_operations my_ops = {...... .aio_read = my_aio_read, .aio_write = my_aio_write,}而my_aio_read()函数又会去调用my_read()函数，my_aio_write()函数会去调用my_write()函数。
所以实际上，异步io还是要先实现一遍.read和.write的接口函数，然后在.aio_read和.aio_write的接口实现中，去调用之前实现的.read和.write接口。 只不过这里的主要区别是，异步io会多次调用my_read()和my_write()函数 。
以异步读为例，在 my_aio_read函数中，最关键的还是调用了my_read函数，但是my_read函数被调用了nr_serg次，这和分散/聚集操作是类似的，即 一次读操作实际上是分多次进行的，每次读取一定的字节数（iov[i].iov_len），然后分别将读到的数据放入分散的内存区域中（iov[i].iov_base） 。
从驱动中不难发现，异步io可以在驱动中阻塞，但是上层的操作却是非阻塞的。
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相关接口struct aiocb结构体struct aiocb { int aio_fildes; /* file descriptor */ off_t aio_offset; /* file offset for i/o */ volatile void *aio_buf; /* buffer for i/o */ size_t aio_nbytes; /* number of bytes tdo transfer */ int aio_reqprio; /* priority */ struct sigevent aio_sigevent; /* signal information */ int aio_lio_opcode; /* operation for list i/o */};aio_fildes：操作的文件描述符
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#include int aio_read(struct aiocb *aiocb);int aio_write(struct aiocb *aiocb); //返回值：成功返回0;失败返回-1获取一个异步读、写或者同步操作的完成状态：
#include int aio_error(const struct aiocb *aiocb);调用aio_return函数，可以用来判断异步io的执行情况
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应用层#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include void aiow_completion_handler (sigval_t sigval){ int ret; struct aiocb *req; req = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr; if (aio_error(req) == 0) { ret = aio_return (req) ; printf (aio write %d bytes\\n, ret); } return;}void aior_completion_handler ( sigval_t sigval ){ int ret; struct aiocb *req; req = (struct aiocb * )sigval.sival_ptr; if (aio_error (req > == 0 ) { ret = aio_return (req); if (ret) printf (aio read: %s\\n, (char * ) req- >aio_buf ); } return;} int main(int argc, char *argv []){ int ret; int fd; struct aiocb aiow,aior; fd = open(/dev/vser0, o_rdwr); if (fd == -1) goto fail; memset (&aiow, 0, sizeof (aiow)); memset (&aior, 0, sizeof (aior)); aiow.aio_fildes = fd; aiow.aio_buf = malloc(32); strcpy((char *)aiow.aio_buf,aio test); aiow.aio_nbytes = strlen ( (char * ) aiow.aio_buf ) + 1; aiow.a*io_of f set = 0; aiow.aio_sigevent.sigev_notify = sigev_thread; aiow.aio_sigevent.sigev_notify_function = aiow_completion_handler; aiow.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = null; aiow.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &aiow; aior.aio_fildes = fd; aior.aio_buf = malloc (32); aior.aio_nbytes = 32; aior.aio_offset = 0; aior.aio_sigevent •sigev_notify = sigev_thread; aior.aio_sigevent.sigev_notify_function = aior_completion_handler; aior.aio_sigevent.sigev_notify_attributes = null; aior.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &aior; while(1){ if(aio_write(&aiow) == -1) goto fail; if(aio_read(&aior) == -1) goto fail; sleep(1); } fail: perror(aio test); exit(exit_failure);}1、首先定义两个用于读和写的异步io控制块struct aiob
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4、读写完成后，对应的回调函数会被自动调用
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在读操作回调函数中，除了可以获取完成状态，还可以从aio_buf中获取读取的数据。
注意这里的关键点：1、 调用aio_wirte或者aio_read，该函数会立即返回，具体的读写操作会在驱动中完成 。2、读写完成后，对应的 回调函数会被自动调用 。
驱动层驱动中异步io相关代码如下：
define_kfifo(vsfifo, char, 32);static ssize_t my_read(struct file *flip, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos){ int ret; unsigned int copied = 0; ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied); return ret == 0 ? copied : ret;}static ssize_t my_write(struct file *flip, const char __user *buf, size_t count, loff_tt *pos){ int ret; unsigned int copied = 0; ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied); return ret == 0 ? copied :ret;}static ssize_t my_aio_read (struct kiocb *iocb, const struct iovec *iov, unsigned long nr_segs, loff_t pos){ size_t read = 0; unsigned long i; ssize_t reg; for(i = 0; i ki_filp, iov[i].iov_base, iov[i].iov_len, &pos); if(ret < 0) break; read += ret; } return read ? read : -efault;}static ssize_t my_aio_write (struct kiocb *iocb, const struct iovec *iov, unsigned long nr_segsf loff_t pos){ size_t written = 0; unsigned longi; ssize t ret; for (i = 0;i lci_filp, iov [i].iov_base, iov [i].iov_len, &pos); if(ret < 0) break; written += ret; } return written ? written : -efault;}static struct file_operations my_ops = {...... .aio_read = my_aio_read, .aio_write = my_aio_write,}从驱动中可以看到，我们分别实现了两种读写函数my_read、my_write和my_aio_read、my_aio_write。
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但是在异步io的实现中，``my_aio_read()和my_aio_write()分别实现的是.aio_read和.aio_write`接口：
static struct file_operations my_ops = {...... .aio_read = my_aio_read, .aio_write = my_aio_write,}而my_aio_read()函数又会去调用my_read()函数，my_aio_write()函数会去调用my_write()函数。
所以实际上，异步io还是要先实现一遍.read和.write的接口函数，然后在.aio_read和.aio_write的接口实现中，去调用之前实现的.read和.write接口。 只不过这里的主要区别是，异步io会多次调用my_read()和my_write()函数 。
以异步读为例，在 my_aio_read函数中，最关键的还是调用了my_read函数，但是my_read函数被调用了nr_serg次，这和分散/聚集操作是类似的，即 一次读操作实际上是分多次进行的，每次读取一定的字节数（iov[i].iov_len），然后分别将读到的数据放入分散的内存区域中（iov[i].iov_base） 。
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