面试题：C语言Linux文件I/O性能优化之异步I/O

Question

在Linux系统中，使用C语言进行文件I/O操作时，异步I/O可以显著提升性能。请描述如何在C语言中实现异步文件I/O，包括涉及到的函数、结构体以及它们的工作原理。同时说明在哪些场景下使用异步I/O会比同步I/O更有优势。

Answer 1

1. 实现异步文件I/O涉及的函数、结构体及工作原理

• 函数：
  • aio_read：用于发起异步读操作。函数原型为int aio_read(struct aiocb *aiocbp);，参数aiocbp是一个指向struct aiocb结构体的指针，该结构体包含了异步I/O操作的相关信息，如文件描述符、缓冲区地址、读入字节数等。
  • aio_write：用于发起异步写操作。函数原型为int aio_write(struct aiocb *aiocbp);，同样以struct aiocb结构体指针作为参数。
  • aio_suspend：用于挂起调用线程，直到指定的异步I/O操作完成。函数原型为int aio_suspend(const struct aiocb *const list[], int nent, const struct timespec *timeout);，list是一个指向struct aiocb结构体指针的数组，nent指定数组中的元素个数，timeout用于设置超时时间，如果为NULL则表示无限期等待。
  • aio_error：用于检查异步I/O操作的状态。函数原型为int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);，返回值表示操作的状态，如0表示操作成功，-1表示操作失败，其他值表示操作仍在进行中。
  • aio_return：用于获取异步I/O操作的返回值。函数原型为ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);，只有在aio_error返回0（操作成功）后调用才有意义，返回值为读或写操作实际传输的字节数。
• 结构体：
  • struct aiocb：这个结构体用于描述异步I/O控制块。其常见成员有：
    • aio_fildes：文件描述符，指定要进行I/O操作的文件。
    • aio_buf：指向用于I/O操作的缓冲区的指针。
    • aio_nbytes：指定要读或写的字节数。
    • aio_offset：指定文件偏移量，从文件的该位置开始进行I/O操作，如果设置为0，则表示从当前文件位置开始。
    • aio_sigevent：用于设置信号通知相关的参数，当异步I/O操作完成时，可以选择发送一个信号通知应用程序。

工作原理： 应用程序创建一个或多个struct aiocb结构体实例，并填充相应的参数，如文件描述符、缓冲区、字节数等。然后调用aio_read或aio_write函数发起异步I/O操作。这些函数会立即返回，应用程序可以继续执行其他任务，而I/O操作在后台进行。当I/O操作完成后，应用程序可以通过aio_error检查操作状态，通过aio_return获取操作结果。也可以通过设置aio_sigevent，当操作完成时收到信号通知，在信号处理函数中获取操作结果。

2. 异步I/O比同步I/O更有优势的场景

• 高并发I/O场景：当有大量文件I/O操作同时进行时，同步I/O会导致线程或进程阻塞在I/O操作上，等待数据传输完成，这会极大地降低系统的并发处理能力。而异步I/O允许应用程序在发起I/O操作后继续执行其他任务，提高了系统在高并发情况下的整体性能。例如，一个网络服务器需要同时处理多个客户端的文件上传或下载请求，使用异步I/O可以避免在每个I/O操作上的阻塞，提高服务器的响应速度和吞吐量。
• I/O与计算重叠场景：如果应用程序在进行文件I/O操作的同时还有其他计算任务需要执行，异步I/O可以让I/O操作在后台进行，应用程序可以利用这段时间进行计算，从而实现I/O与计算的重叠，提高系统资源的利用率。比如在一个数据处理程序中，需要从文件中读取大量数据并进行复杂的计算分析，异步I/O可以使读取数据的操作与计算操作并行进行，减少整体的执行时间。
• 对响应时间敏感的场景：在一些对响应时间要求较高的应用中，如交互式应用程序或实时系统，同步I/O可能会导致界面卡顿或系统响应延迟。而异步I/O可以确保应用程序在发起I/O请求后仍然能够快速响应用户输入或其他实时事件，提升用户体验和系统的实时性。例如，在一个图形化文件管理器中，当用户请求打开一个大文件时，使用异步I/O可以让文件管理器在读取文件内容的同时保持界面的响应性，用户可以继续进行其他操作，而不会感觉到明显的延迟。