面试题：C语言中如何在Linux环境下初步实现异步I/O

Question

请描述在Linux系统下，使用C语言进行异步I/O操作的基本步骤和涉及的主要函数，并举例说明一个简单的异步文件读取场景。

Answer 1

基本步骤和主要函数

1. 初始化异步I/O请求结构体 struct aiocb：
   • 这个结构体定义在 <aio.h> 头文件中，用于描述异步I/O操作。
   • 主要成员包括：
     • aio_fildes：文件描述符，指定要进行I/O操作的文件。
     • aio_buf：指向数据缓冲区的指针，用于存放读取或写入的数据。
     • aio_nbytes：要传输的字节数。
     • aio_offset：文件偏移量，指定I/O操作在文件中的起始位置。
     • aio_sigevent：指定操作完成时要产生的信号或通知。
2. 使用 aio_read 或 aio_write 发起异步I/O操作：
   • aio_read 函数：
     • 原型：int aio_read(struct aiocb *aiocbp);
     • 功能：发起一个异步读操作。aiocbp 是指向已初始化的 struct aiocb 结构体的指针。成功时返回0，失败返回 -1，并设置 errno 来指示错误原因。
   • aio_write 函数：
     • 原型：int aio_write(struct aiocb *aiocbp);
     • 功能：发起一个异步写操作。同样，aiocbp 是指向已初始化的 struct aiocb 结构体的指针。成功返回0，失败返回 -1 并设置 errno。
3. 检查异步I/O操作的状态：
   • aio_error 函数：
     • 原型：int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);
     • 功能：检查指定异步I/O操作的状态。返回值：如果操作尚未完成，返回 EINPROGRESS；如果操作成功完成，返回0；如果操作失败，返回对应的负的错误码。
   • aio_return 函数：
     • 原型：ssize_t aio_return(struct aiocb *aiocbp);
     • 功能：获取异步I/O操作的返回值（如读取或写入的字节数）。仅当 aio_error 返回0（操作成功完成）时调用此函数才有意义。

简单的异步文件读取场景示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int fd;
    struct aiocb aiocb;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化aiocb结构体
    memset(&aiocb, 0, sizeof(aiocb));
    aiocb.aio_fildes = fd;
    aiocb.aio_buf = buffer;
    aiocb.aio_nbytes = BUFFER_SIZE;
    aiocb.aio_offset = 0;

    // 发起异步读操作
    if (aio_read(&aiocb) == -1) {
        perror("aio_read");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 检查操作状态
    int status;
    while ((status = aio_error(&aiocb)) == EINPROGRESS) {
        // 操作尚未完成，可执行其他任务
        usleep(1000);
    }

    if (status != 0) {
        perror("aio_error");
    } else {
        ssize_t bytes_read = aio_return(&aiocb);
        printf("Read %zd bytes: %.*s\n", bytes_read, (int)bytes_read, buffer);
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

在这个示例中：

1. 首先打开一个文件 test.txt。
2. 初始化 struct aiocb 结构体，设置文件描述符、缓冲区、要读取的字节数和文件偏移量。
3. 使用 aio_read 发起异步读操作。
4. 通过 aio_error 循环检查操作状态，当操作完成后，使用 aio_return 获取读取的字节数并输出读取的内容。
5. 最后关闭文件。