从内核看IO_Uring的实现（一）

从内核看IO_Uring的实现（一）

在现代操作系统中，异步I/O操作是一种节约I/O效能、减少阻塞和提升系统响应性的重要手段。Linux内核中的IO_Uring是拥护异步I/O操作的一个核心组件。本文将从内核的角度出发，逐步解析IO_Uring的实现原理，以帮助读者更好地明白这一重要的内核特性。

一、IO_Uring简介

IO_Uring是Linux内核中用于实现异步I/O操作的数据结构。它允许应用程序在不阻塞的情况下执行I/O操作，并且可以在数据准备好时被内核回调通知。这种机制可以显著节约I/O操作的效能，特别是在高并发的场景下。

二、IO_Uring的基本概念

IO_Uring首要由以下几个基本概念组成：

• uring_queue：这是一个环形缓冲区，用于存储所有的I/O请求。
• uring_ops：这是用户空间与内核空间交互的接口，用于提交I/O请求。
• uring_table：这是内核空间中用于处理I/O请求的数据结构。
• uring_file：这是与文件系统交互的数据结构，用于跟踪文件I/O请求的状态。

三、IO_Uring的初始化

IO_Uring的初始化过程首要涉及以下几个步骤：

struct io_uring *io_uring_create(unsigned int entries, unsigned flags);
struct io_uring *io_uring_create(int entries, int flags);

上述函数用于创建一个IO_Uring结构。第一个参数是环形缓冲区的大小，即可以存储的I/O请求的数量。第二个参数是创建时的标志位，用于指定IO_Uring的行为。

四、IO_Uring的提交与完成

用户空间应用程序通过uring_ops结构提交I/O请求。以下是一个示例代码，展示了怎样使用IO_Uring提交一个read请求：

struct io_uring *ring;
struct io_uring_sqe *sqe;
ring = io_uring_create(1, 0);
sqe = io_uring_get_sqe(ring);
sqe->opcode = IO_URING_OP_READ;
sqe->flags = 0;
sqe->u.iov.iov_base = buf;
sqe->u.iov.iov_len = len;
sqe->file_index = fd;
io_uring_submit(ring);

在上述代码中，我们首先创建了一个IO_Uring结构，并获取了一个提交队列的条目。然后，我们设置了操作码为IO_URING_OP_READ，指定了读取的数据缓冲区和长度，以及文件描述符。最后，我们使用io_uring_submit函数将I/O请求提交给内核。

内核处理完I/O请求后，会通过回调函数通知用户空间应用程序。以下是一个回调函数的示例：

void completion_func(struct io_uring *ring, unsigned int fd, int res, unsigned int addr) {
    if (res == -1) {
        // 处理失误
    } else {
        // 处理成就，addr是实际读取的字节数
    }
}
io_uring_register_event_callback(ring, completion_func);

在上述代码中，我们注册了一个回调函数，当内核处理完I/O请求后，会调用这个函数。函数的参数包括IO_Uring结构、文件描述符、返回值和实际读取的字节数。

五、IO_Uring的关闭

当应用程序完成所有I/O操作后，需要关闭IO_Uring结构。以下是一个示例代码，展示了怎样关闭IO_Uring：

io_uring_destroy(ring);

这个函数会释放IO_Uring结构占用的资源，并关闭所有与之相关的I/O请求。

六、总结

本文从内核的角度介绍了IO_Uring的实现原理，包括其基本概念、初始化、提交与完成、关闭等。通过明白IO_Uring的工作机制，可以帮助我们更好地利用异步I/O操作，节约应用程序的I/O效能。

需要注意的是，IO_Uring的实现细节非常错综，本文只是对其进行了简要的介绍。在实际应用中，读者需要结合具体的内核版本和文档进行深入研究。

本文由IT视界版权所有,禁止未经同意的情况下转发