基于異步IO的io_uring

1. io_uring的實現(xiàn)原理

io_uring使用了一種異步IO機制，它通過一對環(huán)形緩沖區(qū)(ring buffer)實現(xiàn)用戶態(tài)于內(nèi)核態(tài)之間的高效通信，用戶只需將IO請求放入提交隊列，當(dāng)內(nèi)核完成IO請求時，會將結(jié)果放入完成隊列，然后用戶從完成隊列中提取結(jié)果并進行后序處理。

io_uring中的兩個隊列是映射到用戶態(tài)的共享內(nèi)存區(qū)域，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)可以直接通過這個區(qū)域交換數(shù)據(jù)，減少了系統(tǒng)調(diào)用上下文切換。用戶也可以一次性提交多個IO請求，減少了系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)。

io_uring在內(nèi)核中有專門的work線程來處理用戶請求，完成IO操作，并且worker線程數(shù)量也是內(nèi)核根據(jù)cpu核心數(shù)和負(fù)載情況自己調(diào)節(jié)的。

io_uring的優(yōu)點：

1. 高并發(fā)，通過異步IO機制，一個線程能夠同時進行大量的IO處理，不會產(chǎn)生阻塞。
2. 高性能低延遲，讀寫操作在內(nèi)核態(tài)完成，并且IO請求和IO結(jié)果都是通過共享內(nèi)存來傳遞的，減少了系統(tǒng)調(diào)用和上下文切換次數(shù)。

2. liburing的使用流程

2.1 多線程設(shè)計

1. 每個線程一個io_uring–> 不用考慮同步，但是浪費資源
2. 一個io_uring線程加一個線程池處理任務(wù) --> 需要考慮同步問題
3. 多個線程使用一個io_uring，同樣需要考慮同步問題

2.2 流程

1. 創(chuàng)建 io_uring 實例

   int ret = io_uring_queue_init(32, &ring, 0);  // 初始化 io_uring 實例，隊列深度為 32
   

2. 填充IO請求

   sqe = io_uring_get_sqe(&ring);  // 獲取一個提交隊列入口io_uring_prep_write(sqe, fd, buf, strlen(buf), 0);  // 寫入文件
   io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, sizeof(buf), 0);  // 異步讀取文件
   

3. 提交IO請求

   int submitted = io_uring_submit(&ring);  // 提交請求到內(nèi)核
   

4. 等待IO請求完成

   int ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);  // 等待完成隊列中的一個請求完成
   io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);  // 告訴 io_uring 已經(jīng)處理完該完成隊列入口
   

5. 清理資源

   io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);  // 告訴 io_uring 已經(jīng)處理完該完成隊列入口
   

3. proactor網(wǎng)絡(luò)模型

proactor網(wǎng)絡(luò)模型是一種異步IO事件驅(qū)動的模型，它向內(nèi)核提交IO請求，然后等待內(nèi)核完成IO操作后，再提取結(jié)果。它與reactor一樣都是高性能、高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模型，與reactor的區(qū)別在于，IO事件的處理是在內(nèi)核態(tài)完成的，用戶直接獲取IO操作的結(jié)果。

Proactor 模式的關(guān)鍵思想是將 I/O 操作的處理責(zé)任交給操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序只負(fù)責(zé)發(fā)起請求和處理回調(diào)。

proactor的優(yōu)點

1. 高性能的異步IO，IO操作在內(nèi)核態(tài)完成，內(nèi)核完成后將結(jié)果通知用戶，因此能夠減少系統(tǒng)調(diào)用和上下文切換，提高性能。
2. 高并發(fā)，和reactor一樣，都能夠用一個線程同時處理大量連接的IO請求，只不過reactor依靠的是IO多路復(fù)用機制，而proactor依賴的異步IO。
3. 線程復(fù)用性，和reactor一樣，proactor也可以減少線程的切換、創(chuàng)建、銷毀的開銷，節(jié)約線程資源，程序的局部性更好，對緩存更友好。

4. proactor模式的使用場景

• 高性能、高并發(fā)、內(nèi)核5.1以上

4.1 reactor對比proactor

1. IO事件處理上：reactor在用戶態(tài)處理IO操作，用戶需要注冊事件、等待事件發(fā)生，然后在用戶態(tài)調(diào)用IO操作；而proactor模式在內(nèi)核處理IO操作，用戶只需提交異步IO請求，然后等待和獲取IO操作的結(jié)果，內(nèi)核態(tài)的worker線程會進行實際的IO操作。
2. 性能上：由于proactor模式由內(nèi)核來負(fù)責(zé)處理IO操作，減少了系統(tǒng)調(diào)用和上下文切換次數(shù)，性能較強。經(jīng)過實測，在echo回聲應(yīng)用上測試16、64、512、1024長度消息，proactor的性能平均要比epoll高10%左右。