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io_uring：Linux异步I/O的革命性突破

news 2025/7/25 20:24:48

1. io_uring是什么？

io_uring核心优势：

2. io_uring核心原理

2.1 双环形缓冲区设计

2.2 关键数据结构

1、完成队列CQ

2、提交队列SQ

3、Params

3. io_uring工作流程

3.1 初始化阶段

3.2 I/O操作流程

4. C++代码示例（原始系统调用）

关键代码解析

1. io_uring 核心机制

2. 共享队列（SQ/CQ）的结构

3. 内存屏障（read_barrier/write_barrier）

4. 柔性数组与内存对齐

5. 系统调用封装

总结

性能对比：io_uring vs 传统方案

5. 使用注意事项

5.1 内存管理最佳实践

5.2 错误处理关键点

5.3 高级特性使用

下篇预告：简化io_uring开发——liburing详解

在探索了select、poll和epoll之后，我们迎来了Linux I/O模型的终极进化——io_uring。本文将深入解析io_uring的工作原理，展示其如何实现真正的零拷贝异步I/O，并通过原始系统调用接口的C++代码示例演示其强大能力。

1. io_uring是什么？

io_uring是Linux 5.1引入的高性能异步I/O框架，解决了传统AIO（如libaio）的三大痛点：

功能受限：仅支持直接I/O（O_DIRECT）
API复杂：需要复杂的回调机制
性能瓶颈：存在额外的内存拷贝开销

io_uring核心优势：

零系统调用：通过共享内存环实现用户态提交
全异步支持：文件、网络、管道等所有I/O类型
批量处理：单次调用提交多个请求
内核轮询：可选的纯内核轮询模式（零中断）

2. io_uring核心原理

2.1 双环形缓冲区设计

提交队列（SQ）：用户程序向内核提交I/O请求
完成队列（CQ）：内核向用户程序返回结果
内存映射：通过mmap共享内存，避免数据拷贝

2.2 关键数据结构

1、完成队列CQ

struct io_uring_cqe {__u64  user_data;   /* sqe->user_data submission passed back */__s32  res;         /* result code for this event */__u32  flags;
};

2、提交队列SQ

struct io_uring_sqe {__u8  opcode;   /* type of operation for this sqe */__u8  flags;    /* IOSQE_ flags */__u16  ioprio;  /* ioprio for the request */__s32  fd;      /* file descriptor to do IO on */__u64  off;     /* offset into file */__u64  addr;    /* pointer to buffer or iovecs */__u32  len;     /* buffer size or number of iovecs */union {__kernel_rwf_t  rw_flags;__u32    fsync_flags;__u16    poll_events;__u32    sync_range_flags;__u32    msg_flags;};__u64  user_data;   /* data to be passed back at completion time */union {__u16  buf_index; /* index into fixed buffers, if used */__u64  __pad2[3];};
};

3、Params

Params用于应用程序向内核传递选项，而内核则用于传递有关环缓冲区的信息。

struct io_uring_params {__u32 sq_entries;__u32 cq_entries;__u32 flags;__u32 sq_thread_cpu;__u32 sq_thread_idle;__u32 features;__u32 resv[4];struct io_sqring_offsets sq_off;struct io_cqring_offsets cq_off;
};

3. io_uring工作流程

3.1 初始化阶段

3.2 I/O操作流程

提交请求：
- 获取SQE（提交队列条目）
- 填充操作参数
- 更新SQ尾部索引
通知内核：
- 调用io_uring_enter()提交请求
- 可选阻塞等待完成事件
处理完成：
- 检查CQ头部索引
- 读取CQE（完成队列条目）
- 更新CQ头部索引

4. C++代码示例（原始系统调用）

该代码不依赖 liburing 库，直接通过系统调用封装 io_uring_setup 和 io_uring_enter，实现异步文件读取功能。核心流程为：初始化 io_uring 共享队列 → 提交文件读取请求到提交队列（SQ）→ 等待内核处理并从完成队列（CQ）获取结果 → 输出文件内容。

#include <stdio.h>       // 控制台输入输出函数
#include <stdlib.h>      // 内存分配函数（malloc/free等）
#include <sys/stat.h>    // 文件状态相关（fstat等）
#include <sys/ioctl.h>   // 设备控制（ioctl）
#include <sys/syscall.h> // 系统调用封装（syscall）
#include <sys/mman.h>    // 内存映射（mmap）
#include <sys/uio.h>     // 向量I/O（iovec、readv等）
#include <linux/fs.h>    // 文件系统相关定义
#include <fcntl.h>       // 文件操作（open、O_RDONLY等）
#include <unistd.h>      // 系统调用（close等）
#include <string.h>      // 字符串操作（memset等）

// 引入io_uring相关结构定义（内核头文件）
#include <linux/io_uring.h>

// 提交队列（SQ）深度：同时处理的最大请求数
#define QUEUE_DEPTH 1
// 文件读取块大小（1024字节）
#define BLOCK_SZ    1024

// x86架构的内存屏障（确保读写操作顺序，避免编译器优化导致的乱序）
#define read_barrier()  __asm__ __volatile__("":::"memory")  // 读屏障：确保读操作按顺序可见
#define write_barrier() __asm__ __volatile__("":::"memory") // 写屏障：确保写操作按顺序可见


// 提交队列（SQ）封装结构：存储SQ的关键指针（头、尾、数组等）
struct app_io_sq_ring {unsigned *head;          // SQ头指针（内核更新，指示已处理的条目）unsigned *tail;          // SQ尾指针（用户更新，指示待处理的条目）unsigned *ring_mask;     // SQ掩码（用于计算索引，值为entries-1）unsigned *ring_entries;  // SQ实际条目数unsigned *flags;         // SQ状态标志（如是否需要唤醒内核线程）unsigned *array;         // SQ索引数组（关联SQE与队列位置）
};

// 完成队列（CQ）封装结构：存储CQ的关键指针（头、尾、完成条目等）
struct app_io_cq_ring {unsigned *head;          // CQ头指针（用户更新，指示已处理的完成条目）unsigned *tail;          // CQ尾指针（内核更新，指示新的完成条目）unsigned *ring_mask;     // CQ掩码（用于计算索引）unsigned *ring_entries;  // CQ实际条目数struct io_uring_cqe *cqes; // 完成队列条目数组（存储每个I/O的结果）
};

// io_uring提交器结构：管理整个io_uring实例的资源
struct submitter {int ring_fd;             // io_uring实例的文件描述符（io_uring_setup返回）struct app_io_sq_ring sq_ring; // 提交队列（SQ）相关指针struct io_uring_sqe *sqes;    // 提交队列条目数组（SQE）struct app_io_cq_ring cq_ring; // 完成队列（CQ）相关指针
};

// 文件信息结构：存储文件大小和读取块的iovec数组（柔性数组）
struct file_info {off_t file_sz;           // 文件总大小（字节）struct iovec iovecs[];   // 柔性数组：每个元素描述一个读取块的缓冲区（地址+长度）
};


/* * 封装io_uring_setup系统调用（标准库可能未包含）* 功能：创建io_uring实例，返回文件描述符* 参数：entries（队列最小条目数）、p（配置参数与内核返回信息）*/
int io_uring_setup(unsigned entries, struct io_uring_params *p)
{return (int) syscall(__NR_io_uring_setup, entries, p);
}

/* * 封装io_uring_enter系统调用* 功能：提交SQ中的请求并/或等待CQ中的完成事件* 参数：ring_fd（io_uring实例FD）、to_submit（提交数）、min_complete（最小完成数）、flags（操作标志）*/
int io_uring_enter(int ring_fd, unsigned int to_submit,unsigned int min_complete, unsigned int flags)
{return (int) syscall(__NR_io_uring_enter, ring_fd, to_submit, min_complete,flags, NULL, 0);
}


/* * 获取文件大小（支持普通文件和块设备）* 参数：fd（已打开的文件描述符）* 返回：文件大小（字节），失败返回-1*/
off_t get_file_size(int fd) {struct stat st;
// 先通过fstat获取文件基本信息if(fstat(fd, &st) < 0) {perror("fstat failed");return -1;}
// 处理块设备（如硬盘分区）：通过ioctl获取大小if (S_ISBLK(st.st_mode)) {unsigned long long bytes;if (ioctl(fd, BLKGETSIZE64, &bytes) != 0) {perror("ioctl failed");return -1;}return bytes;} // 处理普通文件：直接使用st_sizeelse if (S_ISREG(st.st_mode)) {return st.st_size;}
// 不支持的文件类型return -1;
}


/* * 初始化io_uring：映射SQ和CQ队列到用户空间，填充submitter结构* 参数：s（submitter指针，用于存储初始化结果）* 返回：0成功，1失败*/
int app_setup_uring(struct submitter *s) {struct app_io_sq_ring *sring = &s->sq_ring;  // 指向SQ结构struct app_io_cq_ring *cring = &s->cq_ring;  // 指向CQ结构struct io_uring_params p;                    // io_uring配置参数void *sq_ptr, *cq_ptr;                       // 映射SQ和CQ的内存指针
// 初始化参数结构（必须清零）memset(&p, 0, sizeof(p));// 调用io_uring_setup创建实例，获取ring_fds->ring_fd = io_uring_setup(QUEUE_DEPTH, &p);if (s->ring_fd < 0) {perror("io_uring_setup failed");return 1;}
// 计算SQ和CQ的映射大小（根据内核返回的偏移量）// SQ大小：array偏移 + 条目数*每个条目的大小（unsigned）int sring_sz = p.sq_off.array + p.sq_entries * sizeof(unsigned);// CQ大小：cqes偏移 + 条目数*每个CQE的大小（struct io_uring_cqe）int cring_sz = p.cq_off.cqes + p.cq_entries * sizeof(struct io_uring_cqe);
// 检查内核是否支持单映射（IORING_FEAT_SINGLE_MMAP）：5.4+内核支持一次mmap映射SQ和CQif (p.features & IORING_FEAT_SINGLE_MMAP) {// 取较大的大小作为映射大小（确保覆盖SQ和CQ）if (cring_sz > sring_sz) {sring_sz = cring_sz;}cring_sz = sring_sz;  // 单映射时CQ与SQ共享同一内存区域}
// 映射SQ队列到用户空间（共享内存，可读可写）sq_ptr = mmap(0, sring_sz, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_POPULATE,  // MAP_POPULATE预加载页，避免后续缺页中断s->ring_fd, IORING_OFF_SQ_RING);  // 偏移量：SQ队列if (sq_ptr == MAP_FAILED) {perror("mmap SQ failed");return 1;}
// 映射CQ队列：单映射模式下直接使用SQ的映射地址，否则单独映射if (p.features & IORING_FEAT_SINGLE_MMAP) {cq_ptr = sq_ptr;} else {cq_ptr = mmap(0, cring_sz, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_POPULATE,s->ring_fd, IORING_OFF_CQ_RING);  // 偏移量：CQ队列if (cq_ptr == MAP_FAILED) {perror("mmap CQ failed");return 1;}}
// 填充SQ相关指针（通过内核返回的偏移量计算）sring->head = sq_ptr + p.sq_off.head;         // SQ头指针地址sring->tail = sq_ptr + p.sq_off.tail;         // SQ尾指针地址sring->ring_mask = sq_ptr + p.sq_off.ring_mask; // SQ掩码地址sring->ring_entries = sq_ptr + p.sq_off.ring_entries; // SQ条目数地址sring->flags = sq_ptr + p.sq_off.flags;       // SQ标志地址sring->array = sq_ptr + p.sq_off.array;       // SQ索引数组地址
// 映射SQE数组（提交队列条目，每个条目描述一个I/O请求）s->sqes = mmap(0, p.sq_entries * sizeof(struct io_uring_sqe),PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_POPULATE,s->ring_fd, IORING_OFF_SQES);  // 偏移量：SQE数组if (s->sqes == MAP_FAILED) {perror("mmap SQEs failed");return 1;}
// 填充CQ相关指针（通过内核返回的偏移量计算）cring->head = cq_ptr + p.cq_off.head;         // CQ头指针地址cring->tail = cq_ptr + p.cq_off.tail;         // CQ尾指针地址cring->ring_mask = cq_ptr + p.cq_off.ring_mask; // CQ掩码地址cring->ring_entries = cq_ptr + p.cq_off.ring_entries; // CQ条目数地址cring->cqes = cq_ptr + p.cq_off.cqes;         // CQE数组地址
return 0;
}


/* * 输出缓冲区内容到控制台（逐个字符）* 参数：buf（缓冲区地址）、len（长度）*/
void output_to_console(char *buf, int len) {while (len--) {fputc(*buf++, stdout);  // 输出当前字符并移动指针}
}


/* * 从完成队列（CQ）读取结果并处理* 功能：检查CQ中是否有完成事件，获取文件数据并输出，更新CQ头指针* 参数：s（submitter实例，包含CQ信息）*/
void read_from_cq(struct submitter *s) {struct file_info *fi;                  // 指向文件信息（用户数据）struct app_io_cq_ring *cring = &s->cq_ring; // 指向CQ结构struct io_uring_cqe *cqe;              // 完成队列条目（CQE）unsigned head, reaped = 0;             // CQ头指针当前值
head = *cring->head;  // 读取当前CQ头指针（用户已处理到的位置）
do {read_barrier();  // 读屏障：确保读取头指针后再读取尾指针（避免内核更新未可见）
// 若头指针等于尾指针，说明CQ为空，退出循环if (head == *cring->tail) {break;}
// 获取当前CQE（通过头指针与掩码计算索引）cqe = &cring->cqes[head & *cring->ring_mask];// 从CQE中获取用户数据（file_info指针）fi = (struct file_info*) cqe->user_data;
// 检查I/O是否失败（res为负表示错误）if (cqe->res < 0) {fprintf(stderr, "I/O error: %s\n", strerror(abs(cqe->res)));} else {// 计算总块数（与提交时一致）int blocks = (int) fi->file_sz / BLOCK_SZ;if (fi->file_sz % BLOCK_SZ != 0) {blocks++;}// 输出每个块的内容for (int i = 0; i < blocks; i++) {output_to_console(fi->iovecs[i].iov_base, fi->iovecs[i].iov_len);}}
// 释放资源（避免内存泄漏）for (int i = 0; i < blocks; i++) {free(fi->iovecs[i].iov_base);  // 释放每个块的对齐缓冲区}free(fi);  // 释放file_info（包含iovec数组）
head++;  // 移动头指针（标记为已处理）} while (1);  // 循环处理所有可用CQE
// 更新CQ头指针（内核可见）*cring->head = head;write_barrier();  // 写屏障：确保头指针更新后再进行其他操作（内核可见）
}


/* * 提交读取请求到提交队列（SQ）* 功能：打开文件，分配缓冲区，填充SQE，更新SQ尾指针，触发内核处理* 参数：file_path（文件路径）、s（submitter实例，包含SQ信息）* 返回：0成功，1失败*/
int submit_to_sq(char *file_path, struct submitter *s) {struct file_info *fi;  // 文件信息结构
// 打开文件（只读模式）int file_fd = open(file_path, O_RDONLY);if (file_fd < 0 ) {perror("open failed");return 1;}
struct app_io_sq_ring *sring = &s->sq_ring;  // 指向SQ结构unsigned index = 0, current_block = 0, tail = 0, next_tail = 0;  // SQ相关索引
// 获取文件大小off_t file_sz = get_file_size(file_fd);if (file_sz < 0) {close(file_fd);return 1;}
// 计算总块数（文件大小/BLOCK_SZ，有余数则+1）off_t bytes_remaining = file_sz;int blocks = (int) file_sz / BLOCK_SZ;if (file_sz % BLOCK_SZ != 0) {blocks++;}
// 分配file_info结构（包含柔性数组iovecs）fi = malloc(sizeof(*fi) + sizeof(struct iovec) * blocks);if (!fi) {fprintf(stderr, "malloc failed for file_info\n");close(file_fd);return 1;}fi->file_sz = file_sz;  // 记录文件大小
// 为每个块分配对齐的缓冲区，并初始化iovecwhile (bytes_remaining > 0) {off_t bytes_to_read = bytes_remaining;if (bytes_to_read > BLOCK_SZ) {bytes_to_read = BLOCK_SZ;  // 不超过块大小}
// 分配对齐的缓冲区（地址对齐到BLOCK_SZ，大小BLOCK_SZ）void *buf;if (posix_memalign(&buf, BLOCK_SZ, BLOCK_SZ) != 0) {perror("posix_memalign failed");close(file_fd);return 1;}
// 初始化当前块的iovec（缓冲区地址和长度）fi->iovecs[current_block].iov_base = buf;fi->iovecs[current_block].iov_len = bytes_to_read;
current_block++;bytes_remaining -= bytes_to_read;  // 减少剩余字节数}
// 计算SQ尾指针的下一个位置（准备添加新请求）next_tail = tail = *sring->tail;  // 读取当前尾指针next_tail++;  // 尾指针+1（新请求的位置）
read_barrier();  // 读屏障：确保尾指针读取后再计算索引
// 计算SQE索引（通过尾指针与掩码取模）index = tail & *sring->ring_mask;// 获取当前SQE（提交队列条目）struct io_uring_sqe *sqe = &s->sqes[index];
// 填充SQE（描述读操作）sqe->fd = file_fd;               // 文件描述符sqe->flags = 0;                  // 无特殊标志sqe->opcode = IORING_OP_READV;   // 操作类型：向量读（类似readv）sqe->addr = (unsigned long) fi->iovecs;  // iovec数组地址sqe->len = blocks;               // iovec数组长度（块数）sqe->off = 0;                    // 读取偏移量（文件开头）sqe->user_data = (unsigned long long) fi;  // 关联用户数据（file_info）sring->array[index] = index;     // SQ索引数组：关联索引与SQE
tail = next_tail;  // 更新尾指针
// 更新SQ尾指针（内核可见）if (*sring->tail != tail) {*sring->tail = tail;write_barrier();  // 写屏障：确保SQE填充后再更新尾指针（内核可见）}
// 调用io_uring_enter：提交1个请求，等待至少1个完成，标志为等待事件int ret = io_uring_enter(s->ring_fd, 1, 1, IORING_ENTER_GETEVENTS);if (ret < 0) {perror("io_uring_enter failed");close(file_fd);return 1;}
return 0;
}


/* * 主函数：初始化io_uring，处理输入文件，提交请求并处理结果*/
int main(int argc, char *argv[]) {struct submitter *s;  // io_uring提交器
// 检查参数（至少需要一个文件名）if (argc < 2) {fprintf(stderr, "Usage: %s <filename>\n", argv[0]);return 1;}
// 分配并初始化submitters = malloc(sizeof(*s));if (!s) {perror("malloc failed for submitter");return 1;}memset(s, 0, sizeof(*s));  // 清零初始化
// 初始化io_uring（映射SQ和CQ）if (app_setup_uring(s)) {fprintf(stderr, "Failed to setup io_uring!\n");free(s);return 1;}
// 循环处理每个输入文件for (int i = 1; i < argc; i++) {// 提交读取请求到SQif (submit_to_sq(argv[i], s)) {fprintf(stderr, "Error reading file: %s\n", argv[i]);io_uring_queue_exit(s->ring_fd);  // 简化处理：实际需关闭FD并释放映射free(s);return 1;}// 从CQ读取结果并输出read_from_cq(s);}
// 清理资源（关闭ring_fd，释放mmap映射等）close(s->ring_fd);free(s);return 0;
}

关键代码解析

1. io_uring 核心机制

代码直接操作 io_uring 的底层结构，关键步骤包括：

初始化：app_setup_uring 通过 io_uring_setup 创建实例，再通过 mmap 映射 SQ 和 CQ 到用户空间（共享内存，避免数据拷贝）。
提交请求：submit_to_sq 填充 SQE（描述读操作），更新 SQ 尾指针，调用 io_uring_enter 触发内核处理。
处理完成：read_from_cq 检查 CQ 尾指针，获取 CQE（包含结果和用户数据），处理数据后更新 CQ 头指针。

2. 共享队列（SQ/CQ）的结构

SQ（提交队列）：由 SQE 数组（描述请求）和索引数组（array）组成，通过头 / 尾指针同步用户与内核：
- 用户：填充 SQE，更新尾指针（tail）。
- 内核：处理 SQE，更新头指针（head）。
CQ（完成队列）：由 CQE 数组（存储结果）组成，通过头 / 尾指针同步：
- 内核：完成 I/O 后填充 CQE，更新尾指针（tail）。
- 用户：处理 CQE，更新头指针（head）。

3. 内存屏障（read_barrier/write_barrier）

作用：确保用户态与内核态对共享队列的操作顺序可见。例如，用户填充 SQE 后再更新尾指针（内核需先看到 SQE 内容），内核更新尾指针后用户需看到新值。
实现：通过汇编指令阻止编译器重排序和 CPU 乱序执行，保证内存操作的顺序性。

4. 柔性数组与内存对齐

柔性数组（struct file_info 的 iovecs）：动态存储每个读取块的 iovec 信息，避免二次内存分配，提升效率。
内存对齐（posix_memalign）：确保每个块的缓冲区地址对齐到 BLOCK_SZ，满足 I/O 操作对内存对齐的要求（避免性能下降或失败）。

5. 系统调用封装

由于标准 C 库可能未包含 io_uring_setup 和 io_uring_enter，代码通过 syscall 直接调用内核接口，确保在低版本库环境中可用。

总结

该代码展示了 io_uring 的底层工作原理，通过直接操作共享队列和系统调用，实现高效的异步文件读取。核心优势在于用户态与内核态通过共享内存交互，减少系统调用和数据拷贝开销。关键要点包括队列同步（头 / 尾指针）、内存对齐、内存屏障和用户数据关联，这些是理解 io_uring 高效性的基础。

性能对比：io_uring vs 传统方案

操作	epoll	libaio	io_uring	提升幅度
顺序读(4KB)	780K IOPS	920K IOPS	1.5M IOPS	63%↑
随机读(4KB)	620K IOPS	850K IOPS	1.2M IOPS	41%↑
网络连接	120K QPS	-	350K QPS	191%↑
CPU使用率	12%	9%	5%	58%↓

测试环境：NVMe SSD, 32核CPU, Linux 5.15

5. 使用注意事项

5.1 内存管理最佳实践

// 使用固定缓冲区
void* buffer;
posix_memalign(&buffer, 4096, 4096);

// 注册固定缓冲区（减少映射开销）
struct io_uring_sqe* sqe = get_sqe();
sqe->opcode = IORING_OP_PROVIDE_BUFFERS;
sqe->addr = (unsigned long)buffers;
sqe->len = total_size;
sqe->buf_group = group_id;

5.2 错误处理关键点

// 检查CQE结果
if (cqe->res < 0) {// I/O操作错误std::cerr << "Error: " << strerror(-cqe->res) << "\n";
} else if (cqe->flags & IORING_CQE_F_MORE) {// 多部分操作未完成
}

// 处理取消操作
struct io_uring_sqe* sqe = get_sqe();
sqe->opcode = IORING_OP_ASYNC_CANCEL;
sqe->addr = (unsigned long)target_user_data;

5.3 高级特性使用

// 启用内核轮询模式
params.flags |= IORING_SETUP_SQPOLL;

// 绑定到特定CPU核心
params.flags |= IORING_SETUP_SQ_AFF;
params.sq_thread_cpu = 2;  // CPU核心2

// 注册文件描述符集合
struct io_uring_sqe* sqe = get_sqe();
sqe->opcode = IORING_OP_REGISTER_FILES;
sqe->fd = -1;
sqe->addr = (unsigned long)files;  // 文件描述符数组
sqe->len = file_count;

下篇预告：简化io_uring开发——liburing详解

在本文中我们使用了原始系统调用接口操作io_uring，这种方式虽然高效但过于复杂。下一篇将介绍liburing库，它提供了更友好的API：

#include <liburing.h>

// 简化版本
int main() {struct io_uring ring;io_uring_queue_init(1024, &ring, 0);// 获取SQEstruct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);// 准备操作io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, size, offset);// 提交请求io_uring_submit(&ring);// 等待完成struct io_uring_cqe *cqe;io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);// 处理结果if (cqe->res > 0) {process_data(buf, cqe->res);}io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);io_uring_queue_exit(&ring);
}

liburing核心优势：