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在當今的計算機化時代，異步IO已經(jīng)成為各種軟件開發(fā)中不可或缺的一部分。它可以大大提高程序的效率和性能，使得程序能夠更快速和可靠地響應(yīng)用戶的操作。在Linux系統(tǒng)中，異步IO也是非常重要的，因為它可以提高系統(tǒng)的并發(fā)訪問量和數(shù)據(jù)處理速度。
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本文將介紹如何在Linux系統(tǒng)下使用異步IO，以及如何開啟異步IO以提高程序的運行效率和性能。
一、什么是異步IO？
異步IO（Asynchronous Input/Output）又稱為非阻塞IO，是一種訪問數(shù)據(jù)的方式，與傳統(tǒng)的同步IO相比，以異步方式進行IO操作的程序能夠在讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的同時執(zhí)行其他操作，而不會因為讀寫數(shù)據(jù)而被阻塞。異步IO適用于需要一次性處理大量數(shù)據(jù)，或者需要同時進行多個IO操作的情況。
與同步IO相比，異步IO的優(yōu)勢在于它可以減少系統(tǒng)資源的占用，提高程序的響應(yīng)速度和處理效率，并且可以支持更多的并發(fā)連接。異步IO實現(xiàn)的主要方式有select，poll和epoll等，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。
二、異步IO的優(yōu)點與缺點
異步IO相比同步IO的優(yōu)點主要包括：
1、提高程序的運行效率和性能：異步IO可以實現(xiàn)異步讀寫數(shù)據(jù)，程序不需要等待IO操作完成后再進行后續(xù)處理，可以在處理完其他操作后再次處理IO操作。這大大提高了程序的運行效率和性能，縮短了程序的響應(yīng)時間，更快地響應(yīng)用戶的操作。
2、支持更多的并發(fā)連接：異步IO可以同時進行多個IO操作，并且可以輕松地監(jiān)控IO事件，從而支持更多的并發(fā)連接。這使得程序能夠更好地支持高并發(fā)和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理。
3、減少系統(tǒng)資源的占用：異步IO相對于同步IO來說，需要使用的系統(tǒng)資源更少，能夠更有效地利用系統(tǒng)資源。
異步IO相比同步IO的缺點主要包括：
1、編程難度較大：異步IO需要程序員對異步IO技術(shù)有深入的了解，并且需要對程序進行相應(yīng)的修改和調(diào)試，因此相對于同步IO而言，編程難度較大。
2、易產(chǎn)生競爭問題：由于異步IO可以同時進行多個IO操作，因此容易產(chǎn)生競爭問題，需要程序員對并發(fā)操作進行合理的協(xié)調(diào)和管理。
三、Linux下的異步IO實現(xiàn)技術(shù)
在Linux系統(tǒng)中，異步IO的實現(xiàn)技術(shù)主要包括select，poll和epoll等三種方式，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。
1、select
select是最早的異步IO實現(xiàn)技術(shù)之一，其原理是通過傳遞一個文件描述符到select系統(tǒng)調(diào)用中，當文件描述符發(fā)生變化時，程序會被喚醒并返回相應(yīng)的事件。select的缺點在于它需要程序輪詢所有的文件描述符，效率較低，隨著文件數(shù)量增加，程序的性能也會逐漸降低。
2、poll
poll是一種相對于select更高效的異步IO實現(xiàn)技術(shù)，其原理是通過傳遞一個文件描述符到poll系統(tǒng)調(diào)用中，當文件描述符發(fā)生變化時，程序會被喚醒并返回相應(yīng)的事件。與select不同的是，poll無需輪詢所有的文件描述符，而是只輪詢發(fā)生事件的文件描述符，因此效率較高，但是由于其實現(xiàn)方式較為簡單，所以它的并發(fā)性和可擴展性相對較弱。
3、epoll
epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)，它采用了事件驅(qū)動的方式，能夠高效地處理大量的文件描述符，并支持ET（Edge-triggered）和LT（Level-triggered）兩種工作模式，適用于高并發(fā)、高性能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理場景。與select和poll不同的是，epoll的效率不會隨著文件描述符數(shù)量的增加而降低，因此它是目前最為理想的異步IO實現(xiàn)方案。
四、開啟Linux系統(tǒng)下的異步IO功能
為了開啟Linux系統(tǒng)下的異步IO功能，需要進行以下操作：
1、使用epoll系統(tǒng)調(diào)用：在Linux系統(tǒng)中，開啟異步IO的更佳方式是使用epoll系統(tǒng)調(diào)用。epoll能夠高效地處理多個文件描述符，并且能夠?qū)崿F(xiàn)ET和LT兩種工作模式，具有較高的并發(fā)性和可擴展性。
2、使用非阻塞IO：在進行異步IO操作時，需要使用非阻塞IO，這樣才能保證IO操作不會阻塞程序。非阻塞IO通過使用O_NONBLOCK選項來實現(xiàn)，可以在文件描述符上使用fcntl()系統(tǒng)調(diào)用或者open()系統(tǒng)調(diào)用來開啟。
3、編寫事件循環(huán)：對于一些需要不斷監(jiān)聽事件的程序，需要編寫事件循環(huán)來實現(xiàn)異步IO。事件循環(huán)可以使用epoll_wt()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)，每次調(diào)用時會返回所有發(fā)生事件的文件描述符。
五、
異步IO是在當今互聯(lián)網(wǎng)時代中非常重要的一種技術(shù)。它能夠提高程序的效率和性能，可以支持更多的并發(fā)連接，并且能夠有效地利用系統(tǒng)資源。在Linux系統(tǒng)中，異步IO的實現(xiàn)技術(shù)主要包括select，poll和epoll等三種方式，其中epoll是目前Linux系統(tǒng)下最常用和更高效的異步IO技術(shù)。通過開啟異步IO，可以進一步提高程序的運行效率和性能，使得程序能夠更快速和可靠地響應(yīng)用戶的操作。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux磁盤IO流程
- Linux中常見IO調(diào)度器
Linux磁盤IO流程
文件IO的分層設(shè)計
先看圖：
malloc的buf對應(yīng)application buffer，用戶空間；
fwrite是系統(tǒng)提供的最上層接口，也是最常用的接纖嘩口。它在用戶進程空間開辟一個CLib buffer，將多次小數(shù)據(jù)量相鄰寫操作(application buffer)先緩存起來，合并，最終調(diào)用write函數(shù)一次性寫入（或者將大塊數(shù)據(jù)分解多次write調(diào)用）；
write函數(shù)通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口，將數(shù)據(jù)從應(yīng)用層copy到內(nèi)核慎巧層，所以write會觸發(fā)內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)切換。當數(shù)據(jù)到達page cache后，內(nèi)核并不會立即把數(shù)據(jù)往下傳遞。而是返回用戶空間。數(shù)據(jù)什么時候?qū)懭胗脖P，有內(nèi)核IO調(diào)度決定，所以write是一個異步調(diào)用;
read調(diào)用是先檢查page cache里面是否有數(shù)據(jù)，如果有，就取出來返回用戶，如果沒有，就同步傳遞寬豎鍵下去并等待有數(shù)據(jù)，再返回用戶，所以read是一個同步過程；
fclose隱含fflush函數(shù),fflush只負責把數(shù)據(jù)從Clibbuffer拷貝到pagecache中返回，并沒有刷新到磁盤上，刷新到磁盤上可以使用fsync函數(shù)；
即便fsync仍有可能沒寫到磁盤上，一是磁盤有緩存，二是即便關(guān)閉緩存也可能為了跑分沒有真正關(guān)閉；
** 一致性
fwrite使用用戶進程私有空間，多線程必然需要做同步。write如果寫大小小于PIPE_BUF，是原子操作。根據(jù)已知信息，內(nèi)核所做僅限于此，如果兩個進程同時寫文件，可能出現(xiàn)錯亂，需要實測。
** 安全性
從前面的分層設(shè)計來看，使用fsync函數(shù)可以更大限度保障安全寫入，但仍然沒有絕對的安全性。
另外一張圖
Linux中常見IO調(diào)度器
對于磁盤I/O，Linux提供了cfq, deadline和noop三種調(diào)度策略
考慮到硬件配置、實際應(yīng)用場景（讀寫比例、順序還是隨機讀寫）的差異，上面的簡單解釋對于實際選擇沒有太大幫助，實際該選擇哪個基本還是要實測來驗證。不過下面幾條說明供參考：
NOOP全稱No Operation,中文名稱電梯式調(diào)度器，該算法實現(xiàn)了最簡單的FIFO隊列，所有I/O請求大致按照先來后到的順序進行操作。NOOP實現(xiàn)了一個簡單的FIFO隊列,它像電梯的工作方式一樣對I/O請求進行組織。它是基于先入先出（FIFO）隊列概念的 Linux 內(nèi)核里最簡單的I/O 調(diào)度器。此調(diào)度程序最適合于固態(tài)硬盤。
Deadline翻譯成中文是截止時間調(diào)度答世灶器，是對Linus Elevator的一種改進，它避免有些請求太長時間不能被處理。另外可以區(qū)分對待讀操作和寫操作。DEADLINE額外分別為讀I/O和寫I/O提供了FIFO隊列。
Deadline對讀寫request進行了分類管理，并且在調(diào)度處理的過程中讀請求具有較高優(yōu)先級。這主要是因為讀請求往往是同步操作，對延遲時間比較敏感，而寫操作往往是異步操作，可以盡可能的將相鄰訪問地址的請求進行合并，但是，合并的效率越高，延遲時間會越長。因此，為了區(qū)別對待讀寫請求類型，deadline采用兩條鏈表對讀寫請求進行分類管理。但是，引入分類管理之后，在讀優(yōu)先的情況下，寫請求如果長時間得到不到調(diào)度，會出現(xiàn)餓死的情況，因此，deadline算法考慮了寫?zhàn)I死的情況，從而保證在讀優(yōu)先調(diào)度的情況下，寫請求不會被餓死。
總體來講，deadline算法對request進行了優(yōu)先權(quán)控制調(diào)度，主要表現(xiàn)在如下幾清扮個方面：
CFQ全稱Completely Fair Scheduler ，中文名稱完全公平調(diào)度器，它是現(xiàn)在許多 Linux 發(fā)行版的默認調(diào)度器，CFQ是內(nèi)核默認選擇的I/O調(diào)度器。它將由進程提交的同步請求放到多個進程隊列中，然后為每個隊列分配時間片以訪問磁盤。
對于通用的服務(wù)器是更好的選擇，CFQ均勻地分布對I/O帶寬的訪問
。CFQ為每個進程和線程，單獨創(chuàng)建一個隊列來管理該進程所產(chǎn)生的請求,以此來保證每個進程都能被很好的分配到I/O帶寬，I/O調(diào)度器每次執(zhí)行一個進程的4次請求。該算法的特點是按照I/O請求的地址進行排序，而不是按照先來后到的順序來進行響應(yīng)。簡單來說就是給所有同步進程分配時間片，然后才排隊訪問磁盤。
多隊列無操作I / O調(diào)度程序。不對請求進行重新排序，最小的開銷。NVME等快速隨機I / O設(shè)備的返拿理想選擇。
這是對最后期限I / O調(diào)度程序的改編，但設(shè)計用于 多隊列設(shè)備。一個出色的多面手，CPU開銷相當?shù)汀?/p>
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當前題目：輕松高效的Linux異步IO開啟方法 (linux 異步io開啟)
標題URL：http://www.dlmjj.cn/article/cdggijo.html
