轻松高效的Linux异步IO开启方法 (linux 异步io开启)

在当今的计算机化时代，异步IO已经成为各种软件开发中不可或缺的一部分。它可以大大提高程序的效率和性能，使得程序能够更快速和可靠地响应用户的操作。在Linux系统中，异步IO也是非常重要的，因为它可以提高系统的并发访问量和数据处理速度。

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本文将介绍如何在Linux系统下使用异步IO，以及如何开启异步IO以提高程序的运行效率和性能。

一、什么是异步IO？

异步IO（Asynchronous Input/Output）又称为非阻塞IO，是一种访问数据的方式，与传统的同步IO相比，以异步方式进行IO操作的程序能够在读取或写入数据的同时执行其他操作，而不会因为读写数据而被阻塞。异步IO适用于需要一次性处理大量数据，或者需要同时进行多个IO操作的情况。

与同步IO相比，异步IO的优势在于它可以减少系统资源的占用，提高程序的响应速度和处理效率，并且可以支持更多的并发连接。异步IO实现的主要方式有select，poll和epoll等，其中epoll是目前Linux系统下最常用和更高效的异步IO技术。

二、异步IO的优点与缺点

异步IO相比同步IO的优点主要包括：

1、提高程序的运行效率和性能：异步IO可以实现异步读写数据，程序不需要等待IO操作完成后再进行后续处理，可以在处理完其他操作后再次处理IO操作。这大大提高了程序的运行效率和性能，缩短了程序的响应时间，更快地响应用户的操作。

2、支持更多的并发连接：异步IO可以同时进行多个IO操作，并且可以轻松地监控IO事件，从而支持更多的并发连接。这使得程序能够更好地支持高并发和大规模的数据处理。

3、减少系统资源的占用：异步IO相对于同步IO来说，需要使用的系统资源更少，能够更有效地利用系统资源。

异步IO相比同步IO的缺点主要包括：

1、编程难度较大：异步IO需要程序员对异步IO技术有深入的了解，并且需要对程序进行相应的修改和调试，因此相对于同步IO而言，编程难度较大。

2、易产生竞争问题：由于异步IO可以同时进行多个IO操作，因此容易产生竞争问题，需要程序员对并发操作进行合理的协调和管理。

三、Linux下的异步IO实现技术

在Linux系统中，异步IO的实现技术主要包括select，poll和epoll等三种方式，其中epoll是目前Linux系统下最常用和更高效的异步IO技术。

1、select

select是最早的异步IO实现技术之一，其原理是通过传递一个文件描述符到select系统调用中，当文件描述符发生变化时，程序会被唤醒并返回相应的事件。select的缺点在于它需要程序轮询所有的文件描述符，效率较低，随着文件数量增加，程序的性能也会逐渐降低。

2、poll

poll是一种相对于select更高效的异步IO实现技术，其原理是通过传递一个文件描述符到poll系统调用中，当文件描述符发生变化时，程序会被唤醒并返回相应的事件。与select不同的是，poll无需轮询所有的文件描述符，而是只轮询发生事件的文件描述符，因此效率较高，但是由于其实现方式较为简单，所以它的并发性和可扩展性相对较弱。

3、epoll

epoll是目前Linux系统下最常用和更高效的异步IO技术，它采用了事件驱动的方式，能够高效地处理大量的文件描述符，并支持ET（Edge-triggered）和LT（Level-triggered）两种工作模式，适用于高并发、高性能的网络数据处理场景。与select和poll不同的是，epoll的效率不会随着文件描述符数量的增加而降低，因此它是目前最为理想的异步IO实现方案。

四、开启Linux系统下的异步IO功能

为了开启Linux系统下的异步IO功能，需要进行以下操作：

1、使用epoll系统调用：在Linux系统中，开启异步IO的更佳方式是使用epoll系统调用。epoll能够高效地处理多个文件描述符，并且能够实现ET和LT两种工作模式，具有较高的并发性和可扩展性。

2、使用非阻塞IO：在进行异步IO操作时，需要使用非阻塞IO，这样才能保证IO操作不会阻塞程序。非阻塞IO通过使用O_NONBLOCK选项来实现，可以在文件描述符上使用fcntl()系统调用或者open()系统调用来开启。

3、编写事件循环：对于一些需要不断监听事件的程序，需要编写事件循环来实现异步IO。事件循环可以使用epoll_wt()系统调用实现，每次调用时会返回所有发生事件的文件描述符。

五、

异步IO是在当今互联网时代中非常重要的一种技术。它能够提高程序的效率和性能，可以支持更多的并发连接，并且能够有效地利用系统资源。在Linux系统中，异步IO的实现技术主要包括select，poll和epoll等三种方式，其中epoll是目前Linux系统下最常用和更高效的异步IO技术。通过开启异步IO，可以进一步提高程序的运行效率和性能，使得程序能够更快速和可靠地响应用户的操作。

相关问题拓展阅读：

• Linux磁盘IO流程
• Linux中常见IO调度器

Linux磁盘IO流程

文件IO的分层设计

先看图：

malloc的buf对应application buffer，用户空间；

fwrite是系统提供的最上层接口，也是最常用的接纤哗口。它在用户进程空间开辟一个CLib buffer，将多次小数据量相邻写操作(application buffer)先缓存起来，合并，最终调用write函数一次性写入（或者将大块数据分解多次write调用）；

write函数通过调用系统调用接口，将数据从应用层copy到内核慎巧层，所以write会触发内核态/用户态切换。当数据到达page cache后，内核并不会立即把数据往下传递。而是返回用户空间。数据什么时候写入硬盘，有内核IO调度决定，所以write是一个异步调用;

read调用是先检查page cache里面是否有数据，如果有，就取出来返回用户，如果没有，就同步传递宽竖键下去并等待有数据，再返回用户，所以read是一个同步过程；

fclose隐含fflush函数,fflush只负责把数据从Clibbuffer拷贝到pagecache中返回，并没有刷新到磁盘上，刷新到磁盘上可以使用fsync函数；

即便fsync仍有可能没写到磁盘上，一是磁盘有缓存，二是即便关闭缓存也可能为了跑分没有真正关闭；

** 一致性

fwrite使用用户进程私有空间，多线程必然需要做同步。write如果写大小小于PIPE_BUF，是原子操作。根据已知信息，内核所做仅限于此，如果两个进程同时写文件，可能出现错乱，需要实测。

** 安全性

从前面的分层设计来看，使用fsync函数可以更大限度保障安全写入，但仍然没有绝对的安全性。

另外一张图

Linux中常见IO调度器

对于磁盘I/O，Linux提供了cfq, deadline和noop三种调度策略

考虑到硬件配置、实际应用场景（读写比例、顺序还是随机读写）的差异，上面的简单解释对于实际选择没有太大帮助，实际该选择哪个基本还是要实测来验证。不过下面几条说明供参考：

NOOP全称No Operation,中文名称电梯式调度器，该算法实现了最简单的FIFO队列，所有I/O请求大致按照先来后到的顺序进行操作。NOOP实现了一个简单的FIFO队列,它像电梯的工作方式一样对I/O请求进行组织。它是基于先入先出（FIFO）队列概念的 Linux 内核里最简单的I/O 调度器。此调度程序最适合于固态硬盘。

Deadline翻译成中文是截止时间调度答世灶器，是对Linus Elevator的一种改进，它避免有些请求太长时间不能被处理。另外可以区分对待读操作和写操作。DEADLINE额外分别为读I/O和写I/O提供了FIFO队列。

Deadline对读写request进行了分类管理，并且在调度处理的过程中读请求具有较高优先级。这主要是因为读请求往往是同步操作，对延迟时间比较敏感，而写操作往往是异步操作，可以尽可能的将相邻访问地址的请求进行合并，但是，合并的效率越高，延迟时间会越长。因此，为了区别对待读写请求类型，deadline采用两条链表对读写请求进行分类管理。但是，引入分类管理之后，在读优先的情况下，写请求如果长时间得到不到调度，会出现饿死的情况，因此，deadline算法考虑了写饿死的情况，从而保证在读优先调度的情况下，写请求不会被饿死。

总体来讲，deadline算法对request进行了优先权控制调度，主要表现在如下几清扮个方面：

CFQ全称Completely Fair Scheduler ，中文名称完全公平调度器，它是现在许多 Linux 发行版的默认调度器，CFQ是内核默认选择的I/O调度器。它将由进程提交的同步请求放到多个进程队列中，然后为每个队列分配时间片以访问磁盘。

对于通用的服务器是更好的选择，CFQ均匀地分布对I/O带宽的访问

。CFQ为每个进程和线程，单独创建一个队列来管理该进程所产生的请求,以此来保证每个进程都能被很好的分配到I/O带宽，I/O调度器每次执行一个进程的4次请求。该算法的特点是按照I/O请求的地址进行排序，而不是按照先来后到的顺序来进行响应。简单来说就是给所有同步进程分配时间片，然后才排队访问磁盘。

多队列无操作I / O调度程序。不对请求进行重新排序，最小的开销。NVME等快速随机I / O设备的返拿理想选择。

这是对最后期限I / O调度程序的改编，但设计用于 多队列设备。一个出色的多面手，CPU开销相当低。

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