Linux I/O编程：I/O多路复用与异步 I/O对比

0. 引言

本文将简要介绍 Linux 中的多路复用 I/O 和异步 I/O 模型，并编写示例代码简述。对于网络 I/O，特别是 UDP 和 TCP，多路复用 I/O（如 select、epoll()）通常是更好的选择。而异步 I/O（如 libaio）只建议用在文件和块设备的 I/O 操作。

1. I/O 模型简介

Linux 提供了五种常见的 I/O 模型：阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用 I/O、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

1.1 阻塞 I/O（Blocking I/O）

阻塞 I/O 是最简单的模型，进程会在 I/O 操作完成之前被挂起。适用于低并发、对性能要求不高的场景。

工作原理：

• 进程发起 I/O 操作，若数据不可用，进程会被阻塞，直到数据准备好。

1.2 非阻塞 I/O（Non-Blocking I/O）

非阻塞 I/O 允许进程继续执行其他任务，当数据不可用时，系统返回一个错误码（如 EAGAIN）。进程可以选择继续做其他事情，或者再次尝试 I/O 操作。

工作原理：

• 进程发起 I/O 操作后，如果数据不可用，系统返回错误码，进程继续执行其他任务。

1.3 信号驱动式 I/O（Signal-Driven I/O）

通过内核向进程发送信号通知数据准备情况，进程可以继续执行其他任务，直到收到信号时再处理数据。

适用场景：不希望主动轮询的应用，通常用于低延迟要求的系统或设备驱动

1.4 多路复用 I/O（I/O Multiplexing）

多路复用 I/O 允许一个进程同时监控多个 I/O 通道，避免因等待 I/O 完成而导致的阻塞。

工作原理：

• 通过 select()、poll() 或 epoll() 等系统调用，进程可以同时监控多个 I/O 通道，当某个通道就绪时，进程会被通知。

1.5 异步 I/O（Asynchronous I/O）

异步 I/O 的核心思想是，进程发起 I/O 操作后，系统立即返回，I/O 操作在后台完成。当操作完成时，系统会通知进程。

工作原理：

• 进程发起异步 I/O 操作，系统立即返回，I/O 在后台进行，完成时通知进程。

2. 多路复用 I/O VS 异步 I/O 分析

2.1 多路复用 I/O

工作原理：

多路复用 I/O 允许一个进程同时监控多个 I/O 通道。在 Linux 中，常用的系统调用包括 select()、poll() 和 epoll()：

• select()：适合少量文件描述符，效率较低。
• poll()：与 select() 类似，但支持更多文件描述符。
• epoll()：高效地处理大量并发连接，采用事件驱动机制。

优劣势：

多路复用允许单个进程处理多个 I/O 操作，减少线程切换的开销。然而，随着文件描述符数量的增加，轮询的开销也会增加。epoll() 通过事件驱动的方式，在大规模并发场景中表现优异。

2.2 异步 I/O

工作原理：

异步 I/O 的关键是，进程发起 I/O 操作后，系统立即返回，后台继续执行 I/O 操作，而进程可以继续执行其他任务。当 I/O 操作完成时，系统通过回调函数、信号或其他机制通知进程。

Linux 中的异步 I/O 接口有两种主要实现方式：

• POSIX AIO：通过 aio_read 和 aio_write 提交异步 I/O 操作，操作完成后，进程可以通过 aio_error 和 aio_return 获取结果。需要注意的是，POSIX AIO 在某些 Linux 发行版中可能是基于用户空间的模拟，而不是真正的异步 I/O，这可能会影响其性能。
• libaio：高效的异步 I/O 接口，直接与内核交互，减少线程上下文切换。libaio 特别适合磁盘和文件系统的异步块读写操作。

带来的挑战：

• 资源管理：异步 I/O 需要额外的内存和控制块，可能导致内存泄漏或资源管理困难。
• 线程调度：异步 I/O 可能会引入线程切换和上下文切换的开销，尤其在大量小 I/O 操作时，性能可能下降。
• 错误处理：异步 I/O 错误处理较为复杂，特别是回调嵌套或并发操作时，状态同步问题尤为突出。

2.3 多路复用 I/O 与异步 I/O 的比较

• 适用场景：

  • 多路复用 I/O：适用于网络 I/O 场景，特别是 UDP 和 TCP。epoll() 在处理大量并发连接时表现优异。
  • 异步 I/O：适用于文件和块设备的 I/O 操作，如磁盘读写。libaio 在减少上下文切换和提高磁盘 I/O 性能方面效果显著。

• 性能和复杂性：

  • 多路复用 I/O：简单易用，适合大多数网络应用场景。epoll() 在高并发场景下性能优越。
  • 异步 I/O：虽然性能潜力大，但实现复杂，错误处理和资源管理较为困难。

• UDP 无连接协议：UDP 本身是无连接协议，内核的非阻塞 I/O 和事件驱动模型已经非常高效。UDP 数据包的发送操作不涉及复杂的连接管理，使用非阻塞 I/O 或事件驱动模型（如 select、epoll）即可高效处理并发。

2.4 总结

对于网络 I/O，特别是 UDP 和 TCP，多路复用 I/O（如 select、epoll()）通常是更好的选择。而异步 I/O（如 libaio）只建议用在文件和块设备的 I/O 操作。

3. 多路复用 I/O 和异步 I/O示例代码

3.1 多路复用 I/O 示例（select）

这个例子演示了如何使用 select 实现多路复用 I/O，监听多个文件描述符（如标准输入和套接字）。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() {fd_set read_fds;struct timeval timeout;// 创建标准输入的文件描述符集FD_ZERO(&read_fds);FD_SET(STDIN_FILENO, &read_fds);// 设置 select 的超时，单位是秒和微秒timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;int ret = select(STDIN_FILENO + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);if (ret == -1) {std::cerr << "select failed!" << std::endl;return -1;} else if (ret == 0) {std::cout << "Timeout: No input within 5 seconds" << std::endl;} else {if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &read_fds)) {char buffer[1024];ssize_t len = read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (len > 0) {buffer[len] = '\0';std::cout << "Input: " << buffer << std::endl;}}}return 0;
}

3.2 异步 I/O 示例（aio_read）

这个例子演示了如何使用异步 I/O 读取文件内容。我们将使用 aio_read 来异步地从文件中读取数据。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <aio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <errno.h>#define FILE_NAME "test.txt"int main() {// 打开文件int fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY);if (fd == -1) {std::cerr << "Failed to open file: " << strerror(errno) << std::endl;return -1;}// 准备异步 I/O 控制块struct aiocb aio;memset(&aio, 0, sizeof(aio));aio.aio_fildes = fd;aio.aio_buf = malloc(1024);  // 分配内存空间用于读取数据aio.aio_nbytes = 1024;aio.aio_offset = 0;// 提交异步读取操作if (aio_read(&aio) == -1) {std::cerr << "aio_read failed: " << strerror(errno) << std::endl;close(fd);return -1;}// 等待异步 I/O 完成while (aio_error(&aio) == EINPROGRESS) {// 在此可以执行其他任务std::cout << "Waiting for I/O to complete..." << std::endl;sleep(1);}// 获取异步 I/O 操作的状态int ret = aio_return(&aio);if (ret == -1) {std::cerr << "aio_return failed: " << strerror(errno) << std::endl;free((void*)aio.aio_buf);close(fd);return -1;}// 输出读取的内容std::cout << "Async read completed, data: " << (char*)aio.aio_buf << std::endl;// 清理资源free((void*)aio.aio_buf);close(fd);return 0;
}

3.3 代码说明

多路复用 I/O (select)：

1. FD_SET() 和 FD_ZERO() 用于设置和清空文件描述符集。
2. select() 会等待 5 秒钟，如果标准输入文件描述符准备好，可以读取数据。
3. 如果超时或没有输入，程序会输出“Timeout”。

异步 I/O (aio_read)：

1. 使用 open() 打开一个文件并读取数据。
2. 设置异步 I/O 控制块 aiocb，并调用 aio_read() 提交异步操作。
3. 通过 aio_error() 检查 I/O 操作是否正在进行，直到操作完成。
4. 一旦 I/O 完成，使用 aio_return() 获取结果，并输出异步读取的内容。

编译和运行：

g++ -o async_io async_io.cpp -lrt
./async_io

4. 参考文档

一顿饭的事儿，搞懂了Linux5种IO模型