不管是非阻塞IO，IO多路复用，还是信号驱动IO，都不是真正意义上的IO。真正的异步IO是数据从内核空间拷贝到用户空间，也是异步的。处理完成后，拷贝完成，然后通知应用进程，应用进程直接读取用户空间中的数据进行操作。至此，我们介绍了阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路复用。下面我们打个比方来区分一下这几种IO。我们在网上购物时，下单后，可以有以下处理方式：下单后，在门口等快递小哥送快递上门，这就是同步阻塞IO；下单后就不用管了，直到快递小哥打电话通知你去取快递。这就是同步非阻塞IO中的信号驱动IO；下单后，你会定期去物流应用程序查看所有快递员的状态。送到寄存点后，你去取。这就是同步非阻塞IO中的IO多路复用；下单后你不用管，直到快递小哥送到你手上，你不用出门直接拿到快递。可以拿快递，这就是异步IO。异步IO最关键的一点就是在读取数据时将IO缓冲区提交给内核，让内核将数据写入这个缓冲区。本节我们将介绍异步IO模型和相关API，顺便介绍一下最新的更高性能的IO模型。看完这篇文章，你就会明白：异步IO的原理；POSIX定义的异步IO接口及其使用方法；异步IO的发展方向。一、异步I/O模型介绍下面是异步IO（asynchronousI/O）的执行流程：通过aio_read等异步处理函数告诉内核开始一个动作，让内核通知应用进程整个操作完成后。通知将在数据复制到用户空间缓冲区后完成。整个IO进程应用进程不会被阻塞。异步IO最大的优化点是系统调用开销大??，异步IO结合了轮询等待数据的系统调用（如select、poll、epoll）和读取数据的操作。下面我们将通过具体的例子来演示异步IO程序的处理流程。2.异步IO相关函数的用例本节介绍POSIX定义的异步操作接口。2.1.异步IO相关API每个异步函数都需要传入一个aiocb结构体（异步IO控制块）。这个结构体的格式如下：structaiocb{/*Theorderofthesefieldsisimplementation-dependent*/intaio_fildes;/*Filedescriptor*/off_taio_offset;/*Fileoffset*/volatilevoid*aio_buf;/*Locationofbuffer*/size_taio_nbytes;/*Lengthoftransfer*/intaio_reqprio;/*请求优先级*/structsieventaio_sigevent;/*通知方法*/intaio_lio_opcode;/*要执行的操作；};这个结构指定了异步操作的socket描述符，以及操作过程中使用的buffer，其中aio_sigevent告诉AIO在IO操作完成时指向什么操作。常见的异步IO相关函数如下：INTAIO_READ(STRUCTAIOCB*AIOCBP)请求异步读操作，将aiocbp指向的缓冲区描述的I/O请求排队。注意：offset必须在aio_read的aiocbp中设置。在传统的非异步读取操作中，偏移量是在文件描述符的上下文中维护的。对于每个操作，都需要为后续操作更新偏移量。可以寻址下一个数据块。对于异步读操作，可以同时进行很多异步IO读操作，所以这里需要的是处理文件的偏移量aiocbp->aio_offset和异步读内容的长度aiocbp->aio_nbytes。在aio_read调用之后，文件偏移量变为未设置。INTAIO_WRITE(STRUCTAIOCB*AIOCBP)请求异步写操作。此函数将aiocbp指向的缓冲区描述的I/O请求排队。aio_write不必设置偏移量。如果打开的文件设置了O_APPEND选项，偏移量将被忽略，数据将追加到文件末尾；如果未设置O_APPEND，则从aiocbp->aio_offset数据开始写入，而不考虑文件的偏移量。SSIZE_TAIO_RETURN(STRUCTAIOCB*AIOCBP)获取完成的异步请求的返回状态。由于IO是异步的，所以需要专门的函数来获取异步处理的状态。aio_return的返回值相当于read或write等系统调用的返回值。出错时返回-1，并且正确设置了errno。可能的响应值：成功时，将返回处理的字节数；-1：发生错误，设置errno表示错误原因；此函数只能在aio_error调用返回EINPROGRESS以外的值后调用，并且只允许调用一次。INTAIO_ERROR(CONSTSTRUCTAIOCB*AIOCBP)检查异步请求的状态，可能的响应值：EINPROGRESS：如果请求还没有完成；ECANCELLED：如果请求已被取消；0：如果请求已经完成；如果异步IO操作失败，则为正错误号，对应于同步读（2）、写（2）、fsync（2）或fdatasync（2）系统的errorno。AIO_SUSPENDintaio_suspend(conststructaiocb*constaiocb_list[],intnitems,conststructtimespec*timeout);挂起调用进程，直到一个或多个异步请求完成或失败。需要等待的异步请求存放在aiocb_list中，如：structaioct*cblist[MAX_LIST];...cblist[0]=&aiocb1;ret=aio_read(my_aiocb1);ret=aio_suspend(cblist,MAX_LIST,NULL);INTAIO_CANCEL(INTFD,STRUCTAIOCB*AIOCBP)取消异步IO请求。LIO_LISTIOintlio_listio(intmode,structaiocb*constaiocb_list[],intnitems,structsigevent*sevp);发起一系列IO操作，启动数组aiocb_list描述的I/O操作列表。下面通过具体的例子展示aio的用法。2.2.aio_read的例子下面是一个使用aio_read的例子：我把所有重要的处理步骤都标了出来，并在代码中做了解释。我不会在这里重复描述。需要注意几点：aio_read的aiocbp必须设置偏移量；调用aio_error返回值不为EINPROGRESS后，调用aio_return，进入异步IO处理状态。以上就是目前异步IOAPI的设计和基本用法。3.操作系统对异步IO的支持3.1。Linux下的异步IO上一节介绍了POSIX定义的异步操作接口，但是遗憾的是，Linux的aio操作并不是操作系统层面真正支持的，而是利用空间借助于GNU库函数通过pthread来实现的，并且不支持套接字IO。基于以上原因，Linux下大多采用epoll多路复用技术和非阻塞IO，通过事件分发模型来构建高性能的网络程序。3.2.Windows下的异步IOWindows实现了一套完整的异步编程接口，称为IOCP（I/OCompletionPorts，IO完成端口）[1]。IOCP提供了一个高效的线程模型来处理多处理器系统上的多个异步I/O请求。当进程创建IOCP时，系统会为请求创建一个关联的队列对象，其唯一目的是为这些请求提供服务。一个进程可以通过使用IOCP和一个预分配的线程池来处理许多并发的异步IO请求，这比在接收IO请求时创建线程更快更高效。基于IOCP，产生了Proactor模式，这种模式类似于Reactor模式但更高效。看不懂也没关系。我们将在后续的高性能网络编程范式章节中详细介绍这两种模式。4.更高效的IO4.1.背景由于Linux下没有广泛使用的AIO技术，aio系列的功能是POSIX定义的异步操作接口，并不是真正的操作系统内核所支持的异步IO。目前最流行的是基于epoll的多路复用技术，以及基于多路复用技术的Reactor模式。为了促进AIO在Linux系统中的发展，实现更高效的IO，后来改了io_uring。4.2、io_uringio_uring是在LinuxKernel5.1中新增的，用于替代AIO和io_submit，构造一个通用的异步系统调用接口。这是对异步IO的介绍。在下一篇文章中，我们将详细讨论使用各种IO模型的高性能网络编程范式。博客链接：https://www.itzhai.com
