`linux`中的`io_uring`

[gh-liu]

Linux I/O 的演进

最开始是同步（阻塞式）系统调用 随着实际需求和具体场景，不断加入新的异步接口，还要保持与老接口的兼容和协同工作(在非阻塞式读写的问题上并没有形成统一方案) 到 io_uring 的出现

1. 阻塞式：基于文件描述符fd的系统调用，fd指向文件/网络套接字
2. 非阻塞式+轮询：只支持网络套接字/管道，部分不支持文件
3. 线程池：主线程分发I/O，工作线程进行阻塞调用
4. 直接I/O访问：指定O_DIRECTflag，零拷贝I/O
5. 异步I/O linux-aio：只支持 O_DIRECT 文件，对非数据库应用基本无用；拓展很复杂；可能导致阻塞
6. io_uring

io_uring

Linux内核(5.1)提供的新异步I/O框架

原生 Linux AIO 框架存在各种限制，io_uring 旨在克服这些限制：

1. 原生AIO不支持缓冲 I/O，仅支持直接 I/O
2. 原生AIO具有不确定性行为，可能在各种情况下阻塞
3. 原生AIO有一个不理想的 API，每个 I/O 至少需要两次系统调用，一次用于提交请求，一次用于等待其完成

io_uring实例有两个环：提交任务队列SQ和完成任务队列CQ，被内核和用户程序共享； 这两个队列都是单生产者、单消费者，大小为2的幂；

1. 用户程序创建一个或多个提交任务项SQE，更新提交任务队列SQ队尾；
2. 内核消费提交任务项SQE，更新提交任务队列SQ队头；
3. 内核创建完成任务项CQE，更新完成任务队列CQ队尾；
4. 用户程序消费完成任务项CQE，更新完成任务队列CQ队头；

API

io_uring_setup io_uring_register io_uring_enter

// 设置好`提交队列`和`完成队列`，至少`entries`个项
// 返回的 fd 用于执行后续操作
// 通过`io_uring_params`可以配置三种模式：Interrupt driven, Polled, Kernel polled
// 
// setup a context for performing asynchronous I/O
int io_uring_setup(u32 entries, struct io_uring_params *p);

// 注册文件或用户缓冲区允许：
// 1. 内核长期引用与文件关联的内部内核数据结构，
// 2. 内核创建与缓冲区关联的应用程序内存的长期映射，
// 仅在注册期间而不是在处理每个 I/O 期间进行一次请求，从而减少每个 I/O 开销。
// 根据不同的 opcode 决定不同的 arg 
//
// register files or user buffers for asynchronous I/O
int io_uring_register(unsigned int fd, unsigned int opcode, void *arg, unsigned int nr_args);

// 使用共享的SQ和CQ(由io_uring_setup创建)进行初始化或完成I/O操作
// 单次调用`io_uring_enter`可以同时：1. 提交新的I/O操作 2. 等待上一次调用`io_uring_enter`提交的I/O完成
//
// initiate and/or complete asynchronous I/O
int io_uring_enter(unsigned int fd, unsigned int to_submit, unsigned int min_complete, unsigned int flags, sigset_t *sig);