基于异步IO的io_uring

基于异步IO的io_uring

1. io_uring的实现原理

io_uring使用了一种异步IO机制，它通过一对环形缓冲区(ring buffer)实现用户态于内核态之间的高效通信，用户只需将IO请求放入提交队列，当内核完成IO请求时，会将结果放入完成队列，然后用户从完成队列中提取结果并进行后序处理。

io_uring中的两个队列是映射到用户态的共享内存区域，用户态和内核态可以直接通过这个区域交换数据，减少了系统调用上下文切换。用户也可以一次性提交多个IO请求，减少了系统调用次数。

io_uring在内核中有专门的work线程来处理用户请求，完成IO操作，并且worker线程数量也是内核根据cpu核心数和负载情况自己调节的。

io_uring的优点：

1. 高并发，通过异步IO机制，一个线程能够同时进行大量的IO处理，不会产生阻塞。
2. 高性能低延迟，读写操作在内核态完成，并且IO请求和IO结果都是通过共享内存来传递的，减少了系统调用和上下文切换次数。

2. liburing的使用流程

2.1 多线程设计

1. 每个线程一个io_uring–> 不用考虑同步，但是浪费资源
2. 一个io_uring线程加一个线程池处理任务 --> 需要考虑同步问题
3. 多个线程使用一个io_uring，同样需要考虑同步问题

2.2 流程

1. 创建 io_uring 实例

   int ret = io_uring_queue_init(32, &ring, 0);  // 初始化 io_uring 实例，队列深度为 32
   

2. 填充IO请求

   sqe = io_uring_get_sqe(&ring);  // 获取一个提交队列入口
   
   io_uring_prep_write(sqe, fd, buf, strlen(buf), 0);  // 写入文件
   io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, sizeof(buf), 0);  // 异步读取文件
   

3. 提交IO请求

   int submitted = io_uring_submit(&ring);  // 提交请求到内核
   

4. 等待IO请求完成

   int ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);  // 等待完成队列中的一个请求完成
   io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);  // 告诉 io_uring 已经处理完该完成队列入口
   

5. 清理资源

   io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);  // 告诉 io_uring 已经处理完该完成队列入口
   

3. proactor网络模型

proactor网络模型是一种异步IO事件驱动的模型，它向内核提交IO请求，然后等待内核完成IO操作后，再提取结果。它与reactor一样都是高性能、高并发的网络模型，与reactor的区别在于，IO事件的处理是在内核态完成的，用户直接获取IO操作的结果。

Proactor 模式的关键思想是将 I/O 操作的处理责任交给操作系统，应用程序只负责发起请求和处理回调。

proactor的优点

1. 高性能的异步IO，IO操作在内核态完成，内核完成后将结果通知用户，因此能够减少系统调用和上下文切换，提高性能。
2. 高并发，和reactor一样，都能够用一个线程同时处理大量连接的IO请求，只不过reactor依靠的是IO多路复用机制，而proactor依赖的异步IO。
3. 线程复用性，和reactor一样，proactor也可以减少线程的切换、创建、销毁的开销，节约线程资源，程序的局部性更好，对缓存更友好。

4. proactor模式的使用场景

• 高性能、高并发、内核5.1以上

4.1 reactor对比proactor

1. IO事件处理上：reactor在用户态处理IO操作，用户需要注册事件、等待事件发生，然后在用户态调用IO操作；而proactor模式在内核处理IO操作，用户只需提交异步IO请求，然后等待和获取IO操作的结果，内核态的worker线程会进行实际的IO操作。
2. 性能上：由于proactor模式由内核来负责处理IO操作，减少了系统调用和上下文切换次数，性能较强。经过实测，在echo回声应用上测试16、64、512、1024长度消息，proactor的性能平均要比epoll高10%左右。