man aio (7): введение в асинхронный ввод-вывод POSIX

ОПИСАНИЕ

Интерфейс асинхронного ввода-вывода POSIX (AIO) позволяет приложениям запускать одну или несколько операций ввода-вывода, которые выполняются асинхронно (т. е., в фоновом режиме). Приложение может выбрать каким образом оно будет уведомлено о завершении операции ввода-вывода: с помощью сигнала, созданием новой нити или вообще не получать уведомления.

Интерфейс POSIX AIO состоит из следующих функций:

aio_read(3): Ставит запрос на чтение в очередь. Это асинхронный аналог read(2).
aio_write(3): Ставит запрос на запись в очередь. Это асинхронный аналог write(2).
aio_fsync(3): Ставит запрос синхронизации операций ввода-вывода над файловым дескриптором. Это асинхронный аналог fsync(2) и fdatasync(2).
aio_error(3): Возвращает информацию о состоянии поставленного в очередь запроса ввода-вывода.
aio_return(3): Возвращает информацию о выполненном запросе ввода-вывода.
aio_suspend(3): Приостанавливает вызывающего до тех пор, пока не выполнится один или более указанных запросов ввода-вывода.
aio_cancel(3): Пытается отменить ожидающие выполнения запросы ввода-вывода над заданным файловым дескриптором.
lio_listio(3): Ставит в очередь сразу несколько запросов ввода-вывода за один вызов функции.

В структуре aiocb («блок управления асинхронным вводом-выводом») задаются параметры, которые управляют операцией ввода-вывода. Аргумент данного типа передаётся во все функции, перечисленные ранее. Данная структура имеет следующий вид:

#include <aiocb.h>
struct aiocb {
    /* Порядок данных полей определяется реализацией */
    int             aio_fildes;     /* файловый дескриптор */
    off_t           aio_offset;     /* файловое смещение */
    volatile void  *aio_buf;        /* расположение буфера */
    size_t          aio_nbytes;     /* длина передачи */
    int             aio_reqprio;    /* приоритет запроса */
    struct sigevent aio_sigevent;   /* метод уведомления */
    int             aio_lio_opcode; /* выполняемая операция;
                                       только в lio_listio() */
    /* Не показаны различные поля, используемые в реализациях */
};
/* Коды операций для 'aio_lio_opcode': */
enum { LIO_READ, LIO_WRITE, LIO_NOP };

Поля этой структуры имеют следующее назначение:

aio_filedes: Файловый дескриптор, над которым будут выполняться операции ввода-вывода.
aio_offset: Файловое смещение, начиная с которого будут выполняться операции ввода-вывода.
aio_buf: Буфер, используемый для пересылки данных при операции чтения или записи.
aio_nbytes: Размер буфера, на который указывает aio_buf.
aio_reqprio: В этом поле задаётся значение, которое вычитается из приоритета реального времени вызывающей нити, чтобы определить приоритет выполнения данного запроса ввода-вывода (смотрите pthread_setschedparam(3)). Указываемое значение должно быть в диапазоне от 0 и до значения, возвращаемого sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX). Данное поле игнорируется при операциях синхронизации файла.
aio_sigevent: В этом поле задаётся структура, которая указывает как вызывающему должно быть сообщено о завершении анонимной операции ввода-вывода. Возможные значения для aio_sigevent.sigev_notify: SIGEV_NONE, SIGEV_SIGNAL и SIGEV_THREAD. Подробности смотрите в sigevent(7).
aio_lio_opcode: Задаёт тип операции, которая будет выполнена; используется только в lio_listio(3).

В дополнении к стандартным функциям, перечисленным ранее, в библиотеке GNU C есть следующее расширение программного интерфейса POSIX AIO:

aio_init(3): Позволяет изменить настройки поведения реализации glibc для POSIX AIO.

ОШИБКИ

EINVAL: Значение поля aio_reqprio структуры aiocb меньше 0 или больше, чем значение ограничения, возвращаемое вызовом sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX).

ВЕРСИИ

Интерфейсы POSIX AIO появились в glibc в версии 2.1.

СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ

POSIX.1-2001, POSIX.1-2008.

ЗАМЕЧАНИЯ

Желательно обнулять буфер блока управления перед использованием (смотрите memset(3)). Буфер блока управления и буфер, который задаётся в aio_buf, не должны изменяться во время выполнения операции ввода-вывода. Данные буферы должны оставаться рабочими до завершения операции ввода-вывода.

Одновременное выполнение операций чтения или записи через совместно используемую структуру aiocb приводит к непредсказуемым результатам.

Имеющаяся реализация Linux POSIX AIO предоставляется glibc в пользовательском пространстве. Она имеет ряд ограничений, наиболее существенные из которых — затраты на сопровождение нескольких нитей при операциях ввода-вывода и плохое масштабирование. Некогда для реализации асинхронного ввода-вывода велась работа над ядерной реализацией на основе машины состояний (смотрите io_submit(2), io_setup(2), io_cancel(2), io_destroy(2), io_getevents(2)), но эта реализация ещё недостаточно стабильна в тех местах, где POSIX AIO можно было бы полностью реализовать на системных вызовах ядра.

ПРИМЕР

Представленная далее программа открывает все файлы, указанные в параметрах командной строки и ставит в очередь запрос на полученные файловые дескрипторы с помощью aio_read(3). Затем программа входит в цикл, в котором периодически следит за всеми выполняемыми операциями ввода-вывода с помощью aio_error(3). Для каждого запроса ввода-вывода настроено получение уведомления посредством сигнала. После завершения всех запросов ввода-вывода, программа возвращает их состояние с помощью aio_return(3).

Сигнал SIGQUIT (генерируемый нажатием control-\) заставляет программу отменить все невыполненные запросы с помощью aio_cancel(3).

Вот результат работы программы. В этом примере программа ставит в очередь два запроса для стандартного ввода, и они отрабатываются двумя введёнными строками «abc» и «x».

$ ./a.out /dev/stdin /dev/stdin
opened /dev/stdin on descriptor 3
opened /dev/stdin on descriptor 4
aio_error():
    for request 0 (descriptor 3): In progress
    for request 1 (descriptor 4): In progress
abc
I/O completion signal received
aio_error():
    for request 0 (descriptor 3): I/O succeeded
    for request 1 (descriptor 4): In progress
aio_error():
    for request 1 (descriptor 4): In progress
x
I/O completion signal received
aio_error():
    for request 1 (descriptor 4): I/O succeeded
All I/O requests completed
aio_return():
    for request 0 (descriptor 3): 4
    for request 1 (descriptor 4): 2

Исходный код программы

#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <aio.h>
#include <signal.h>
#define BUF_SIZE 20     /* размер буферов для операций чтения */
#define errExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
#define errMsg(msg)  do { perror(msg); } while (0)
struct ioRequest {      /* определяемая приложением структура для
                           слежения за запросами ввода-вывода */
    int           reqNum;
    int           status;
    struct aiocb *aiocbp;
};
static volatile sig_atomic_t gotSIGQUIT = 0;
                        /* при получении SIGQUIT мы пытаемся отменить
                           все невыполненные запросы ввода-вывода */
static void             /* обработчик SIGQUIT */
quitHandler(int sig)
{
    gotSIGQUIT = 1;
}
#define IO_SIGNAL SIGUSR1   /* сигнал, уведомляющий о завершении
                               ввода-вывода */
static void                 /* обработчик завершения ввода-вывода */
aioSigHandler(int sig, siginfo_t *si, void *ucontext)
{
    write(STDOUT_FILENO, "I/O completion signal received\n", 31);
    /* соответствующая структура ioRequest была бы доступна как
           struct ioRequest *ioReq = si->si_value.sival_ptr;
       а файловый дескриптор был бы доступен через
           ioReq->aiocbp->aio_fildes */
}
int
main(int argc, char *argv[])
{
    struct ioRequest *ioList;
    struct aiocb *aiocbList;
    struct sigaction sa;
    int s, j;
    int numReqs;        /* общее количество устанавливаемых в очередь
                           запросов ввода-вывода */
    int openReqs;       /* количество выполняющихся запросов
                           ввода-вывода */
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "Использование: %s <имя_файла> <имя_файла>...\n",
                argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    numReqs = argc - 1;
    /* выделяем место под массивы */
    ioList = calloc(numReqs, sizeof(struct ioRequest));
    if (ioList == NULL)
        errExit("calloc");
    aiocbList = calloc(numReqs, sizeof(struct aiocb));
    if (aiocbList == NULL)
        errExit("calloc");
    /* указываем обработчики SIGQUIT и сигнала завершения ввода-вывода */
    sa.sa_flags = SA_RESTART;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_handler = quitHandler;
    if (sigaction(SIGQUIT, &sa, NULL) == -1)
        errExit("sigaction");
    sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = aioSigHandler;
    if (sigaction(IO_SIGNAL, &sa, NULL) == -1)
        errExit("sigaction");
    /* открываем каждый файл, заданный в командной строке и ставим в
       очередь запрос на чтение полученного файлового дескриптора */
    for (j = 0; j < numReqs; j++) {
        ioList[j].reqNum = j;
        ioList[j].status = EINPROGRESS;
        ioList[j].aiocbp = &aiocbList[j];
        ioList[j].aiocbp->aio_fildes = open(argv[j + 1], O_RDONLY);
        if (ioList[j].aiocbp->aio_fildes == -1)
            errExit("open");
        printf("opened %s on descriptor %d\n", argv[j + 1],
                ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
        ioList[j].aiocbp->aio_buf = malloc(BUF_SIZE);
        if (ioList[j].aiocbp->aio_buf == NULL)
            errExit("malloc");
        ioList[j].aiocbp->aio_nbytes = BUF_SIZE;
        ioList[j].aiocbp->aio_reqprio = 0;
        ioList[j].aiocbp->aio_offset = 0;
        ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
        ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_signo = IO_SIGNAL;
        ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr =
                                &ioList[j];
        s = aio_read(ioList[j].aiocbp);
        if (s == -1)
            errExit("aio_read");
    }
    openReqs = numReqs;
    /* цикл, отслеживание состояние запросов ввода-вывода */
    while (openReqs > 0) {
        sleep(3);       /* задержка между проверками */
        if (gotSIGQUIT) {
            /* при получении SIGQUIT пытаемся отменить каждый
               невыполненный запрос ввода-вывода и показываем состояние,
               возвращаемое при отмене запроса */
            printf("got SIGQUIT; canceling I/O requests: \n");
            for (j = 0; j < numReqs; j++) {
                if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
                    printf("    Request %d on descriptor %d:", j,
                            ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
                    s = aio_cancel(ioList[j].aiocbp->aio_fildes,
                            ioList[j].aiocbp);
                    if (s == AIO_CANCELED)
                        printf("I/O canceled\n");
                    else if (s == AIO_NOTCANCELED)
                            printf("I/O not canceled\n");
                    else if (s == AIO_ALLDONE)
                        printf("I/O all done\n");
                    else
                        errMsg("aio_cancel");
                }
            }
            gotSIGQUIT = 0;
        }
        /* проверяем состояние каждого запроса ввода-вывода, которые
           ещё не завершились */
        printf("aio_error():\n");
        for (j = 0; j < numReqs; j++) {
            if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
                printf("    for request %d (descriptor %d): ",
                        j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
                ioList[j].status = aio_error(ioList[j].aiocbp);
                switch (ioList[j].status) {
                case 0:
                    printf("I/O succeeded\n");
                    break;
                case EINPROGRESS:
                    printf("In progress\n");
                    break;
                case ECANCELED:
                    printf("Canceled\n");
                    break;
                default:
                    errMsg("aio_error");
                    break;
                }
                if (ioList[j].status != EINPROGRESS)
                    openReqs--;
            }
        }
    }
    printf("All I/O requests completed\n");
    /* проверяем возвращаемое состояние всех запросов ввода-вывода */
    printf("aio_return():\n");
    for (j = 0; j < numReqs; j++) {
        ssize_t s;
        s = aio_return(ioList[j].aiocbp);
        printf("    for request %d (descriptor %d): %zd\n",
                j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes, s);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}