一篇带你了解io_uring和Node.js

前言：io_uring是大神Jens Axboe开发的异步IO框架，在Linux内核5.1引入。本文介绍什么是异步框架和io_uring的一些基础内容，最后介绍Node.js(Libuv)中，之前有人提但至今还没有合并的一个关于io_uring的pr。

1 io_uring介绍

在io_uring之前，Linux没有成熟的异步IO能力，什么是异步IO呢?回想我们读取资源的过程，我们可以以阻塞或非阻塞的模式调用read、readv，也可以通过epoll监听文件描述符和事件的方式，在回调里调用read系列函数进行读取，这些API有个共同的地方是，不管是主动探还是被动探测资源是否可读，当可读的时候，都需要进程自己去执行读操作。而io_uring强大的地方是，进程不需要再自己主动执行读操作，而是内核读完后通知进程，相比epoll，io_uring又进了一步，类似的能力是windows的IOCP。

2 io_uring基本使用

2.1 初始化

io_uring和epoll一样，API不多，但是io_uring比epoll复杂得多。我们首先需要调用io_uring_setup初始化io_uring，拿到一个fd。

 
 
 

  
  
  
int ring_fd; 
  
  
  
 
  
  
  
unsigned *sring_tail, *sring_mask, *sring_array, *cring_head, *cring_tail, *cring_mask; 
  
  
  
 
  
  
  
struct io_uring_sqe *sqes; 
  
  
  
 
  
  
  
struct io_uring_cqe *cqes; 
  
  
  
 
  
  
  
char buff[BLOCK_SZ]; 
  
  
  
 
  
  
  
off_t offset; 
  
  
  
 
  
  
  
struct io_uring_params p; 
  
  
  
 
  
  
  
void *sq_ptr, *cq_ptr; 
  
  
  
 
  
  
  
memset(&p, 0, sizeof(p)); 
  
  
  
 
  
  
  
// 拿到io_uring对应的fd 
  
  
  
 
  
  
  
int ring_fd = io_uring_setup(QUEUE_DEPTH, &p); 
  
  
  
 
  
  
  
int sring_sz = p.sq_off.array + p.sq_entries * sizeof(unsigned); 
  
  
  
 
  
  
  
int cring_sz = p.cq_off.cqes + p.cq_entries * sizeof(struct io_uring_cqe); 
  
  
  
 
  
  
  
// 映射ring_fd到mmap返回的地址，我们可以以操作返回地址的方式操作ring_fd，达到用户和内核共享数据的目的 
  
  
  
 
  
  
  
cq_ptr = sq_ptr = mmap(0, sring_sz, PROT_READ | PROT_WRITE, 
  
  
  
              MAP_SHARED | MAP_POPULATE, 
  
  
  
              ring_fd, IORING_OFF_SQ_RING); 
  
  
  
 
  
  
  
sqes = mmap(0, p.sq_entries * sizeof(struct io_uring_sqe), 
  
  
  
               PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_POPULATE, 
  
  
  
               ring_fd, IORING_OFF_SQES); 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
// 保存任务队列和完成队列的地址，后续提交任务和获取完成任务节点时需要用 
  
  
  
 
  
  
  
sring_tail = sq_ptr + p.sq_off.tail; 
  
  
  
sring_mask = sq_ptr + p.sq_off.ring_mask; 
  
  
  
sring_array = sq_ptr + p.sq_off.array; 
  
  
  
cring_head = cq_ptr + p.cq_off.head; 
  
  
  
cring_tail = cq_ptr + p.cq_off.tail; 
  
  
  
cring_mask = cq_ptr + p.cq_off.ring_mask; 
  
  
  
cqes = cq_ptr + p.cq_off.cqes; 
 
 
 

io_uring不仅实现非常复杂，就连使用也非常复杂，但是目前只需要大致了解原理就好了。上面的代码主要目的有以下几个。

1 出生后io_uring并拿到一个io_uring实例对应的fd。

2 通过mmap映射io_uring对应的fd到一个内存地址，后续我们就可以通过操作内存地址的方式和内核通信。

3 保存任务队列和完成队列的地址信息，后续需要用到。

2.2 提交任务

我们看到io_uring底层维护了任务队列(sq)和完成队列两个队列(cq)。对应的节点叫sqe和cqe。当我们需要操作一个资源的时候，就可以获取一个seq，并且填充字段，然后提交给内核，我们看一下sqe的核心字段。

 
 
 

  
  
  
struct io_uring_sqe { 
  
  
  
        __u8    opcode; /* 操作类型，比如读、写 */ 
  
  
  
        __s32   fd; /* 资源对应的fd */ 
  
  
  
        __u64   off; /* 资源的偏移（操作的起点） */ 
  
  
  
        __u64   addr; /* 保存数据的内存首地址 */ 
  
  
  
        __u32   len; /* 数据长度 */ 
  
  
  
        __u64   user_data;  /* 用户定义的字段，通常用于关联请求和响应 */ 
  
  
  
        __u8    flags; /* 标记 */ 
  
  
  
        ... 
  
  
  
 
  
  
  
}; 
 
 
 

io_uring_sqe的核心字段都比较好理解，构造了一个请求后，就插入到内核的请求任务队列。接着调用io_uring_enter通知内核，有需要处理的任务，我们可以在调用io_uring_enter的时候设置等待多少个请求完成后再返回。另外内核处理poll的模式，这时候内核会开启内核线程去检测任务是否完成，不需要进程调用io_uring_enter。下面是我们发送一个读取请求的逻辑。

 
 
 

  
  
  
unsigned index, tail; 
  
  
  
tail = *sring_tail; 
  
  
  
 
  
  
  
// 拿到请求队列的一个空闲位置，是一个环，需要做回环处理 
  
  
  
 
  
  
  
index = tail & *sring_mask; 
  
  
  
 
  
  
  
struct io_uring_sqe *sqe = &sqes[index]; 
  
  
  
 
  
  
  
// 初始化请求结构体 
  
  
  
 
  
  
  
sqe->opcode = op; 
  
  
  
 
  
  
  
// 读取的fd 
  
  
  
 
  
  
  
sqe->fd = fd; 
  
  
  
 
  
  
  
// 读取的数据保存到buff 
  
  
  
 
  
  
  
// 可以通过关联buff，等到响应的时候能找到对应的请求上下文 
  
  
  
 
  
  
  
sqe->addr = (unsigned long) buff; 
  
  
  
sqe->user_data = (unsigned long long) buff; 
  
  
  
 
  
  
  
memset(buff, 0, sizeof(buff)); 
  
  
  
 
  
  
  
sqe->len = BLOCK_SZ; 
  
  
  
sqe->off = offset; 
  
  
  
 
  
  
  
// 插入请求队列 
  
  
  
 
  
  
  
sring_array[index] = index; 
  
  
  
 
  
  
  
// 更新索引 
  
  
  
 
  
  
  
tail++; 
  
  
  
 
  
  
  
// 通知内核有任务需要处理，并等待有一个任务完成后再返回 
  
  
  
 
  
  
  
io_uring_smp_store_release(sring_tail, tail); 
  
  
  
 
  
  
  
int ret =  io_uring_enter(ring_fd, 1,1, IORING_ENTER_GETEVENTS); 
 
 
 

2.3 任务完成

当任务完成的时候，io_uring_enter就会返回。但是这里有个问题，请求任务和响应不是对应的，内核不保证任务完成的顺序，内核只是告诉我们哪些任务完成了，我们可以通过user_data关联请求和响应，类似rpc通信里的seq一样。user_data字段在请求里设置，响应里会返回，从而请求方知道这个响应对应的是哪个请求。响应对应的结构体比较简单。

 
 
 

  
  
  
struct io_uring_cqe { 
  
  
  
 
  
  
  
    /* 用户定义字段，通常用于关联请求和响应 */ 
  
  
  
 
  
  
  
    __u64   user_data;   
  
  
  
 
  
  
  
    /* 系统调用的返回码，比如read */ 
  
  
  
 
  
  
  
    __s32   res;         
  
  
  
 
  
  
  
    // 暂时没用到 
  
  
  
 
  
  
  
    __u32   flags;   
  
  
  
 
  
  
  
}; 
 
 
 

我们这里假设请求和响应是串行的，所以不需要用到user_data字段关联请求和响应。从前面代码我们可以看到，我们把数据读取到buff变量里。我们看看内核返回后我们的处理逻辑。

 
 
 

  
  
  
struct io_uring_cqe *cqe; 
  
  
  
 
  
  
  
unsigned head, reaped = 0; 
  
  
  
 
  
  
  
// 拿到完成队列队头节点，可消费buff里面存储的数据 
  
  
  
 
  
  
  
head = io_uring_smp_load_acquire(cring_head); 
  
  
  
 
  
  
  
cqe = &cqes[head & (*cring_mask)]; 
  
  
  
 
  
  
  
// 更新头索引 
  
  
  
 
  
  
  
head++; 
  
  
  
io_uring_smp_store_release(cring_head, head); 
 
 
 

这就是io_uring一个读取操作的大致过程，我们看到用户层面的逻辑还是挺复杂的，作者也想到了，所以又封装了Liburing库简化使用。

3 Liburing的使用

那么我们到底怎么使用它呢，我们回想epoll的使用。

 
 
 

  
  
  
// 创建epoll 实例 
  
  
  
 
  
  
  
int epollfd = epoll_create(); 
  
  
  
 
  
  
  
// 封装fd和订阅事件 
  
  
  
 
  
  
  
struct epoll_event event;  
  
  
  
 
  
  
  
event.events = EPOLLIN;  
  
  
  
event.data.fd = listenFd;  
  
  
  
// 注册到epoll 
  
  
  
 
  
  
  
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenFd, &event);  
  
  
  
 
  
  
  
// 等待事件触发 
  
  
  
 
  
  
  
int num = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);  
  
  
  
 
  
  
  
for (i = 0; i < num; ++i) {  
  
  
  
    // 处理事件，比如读写 
  
  
  
 
  
  
  
} 
 
 
 

接着我们看看基于Liburing的o_uring的使用。

 
 
 

  
  
  
// 拿到一个请求结构体 
  
  
  
 
  
  
  
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);  
  
  
  
 
  
  
  
// 设置fd和数据地址 
  
  
  
 
  
  
  
io_uring_prep_recv(sqe, fd, data, len, 0);  
  
  
  
 
  
  
  
// 通知内核有任务处理 
  
  
  
 
  
  
  
io_uring_submit(&ring);  
  
  
  
 
  
  
  
// 等待事件完成 
  
  
  
 
  
  
  
io_uring_submit_and_wait(&ring, 1);  
  
  
  
 
  
  
  
// 获取完成的任务 
  
  
  
 
  
  
  
int nums = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, sizeof(cqes) / sizeof(cqes[0]));     
  
  
  
 
  
  
  
for (i = 0; i < nums; ++i) {  
  
  
  
    // 处理完成的任务 
  
  
  
    struct io_uring_cqe *cqe = cqes[i];  
  
  
  
} 
 
 
 

我们看到基于Liburing的使用简单了很多，有点epoll的风格了。io_uring就介绍到这里，io_uring的细节比较多，实现也比较复杂，代码量也达到了近1万行(epoll是2500左右)，关于io_uring网上有非常多讲解得非常好的文章，大家可以自行阅读。

4 Node.js中的io_uring

最后介绍一下之前看到的一个Node.js的pr(https://github.com/libuv/libuv/pull/2322)，这个pr引入了io_uring。虽然不是取代epoll对Libuv的核心进行重构，但是依然值得探讨。该pr涉及了150+文件，不过大部分是Liburing的代码，我们只关注核心改动。首先Libuv初始化的时候做了一个处理。

 
 
 

  
  
  
// loop里做了修改 
  
  
  
 
  
  
  
struct loop { 
  
  
  
 
  
  
  
  ... 
  
  
  
  // int backend_fd; 改成下面的联合体  
  
  
  
  union {                                                                      
  
  
  
    int fd;                                                                    
  
  
  
    void* data;                                                                
  
  
  
  } backend;  
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
// 定义一个使用io_uring时的结构体 
  
  
  
 
  
  
  
struct uv__backend_data_io_uring { 
  
  
  
 
  
  
  
  // io_uring的fd 
  
  
  
  int fd; 
  
  
  
  // 等待io_uring处理的任务个数 
  
  
  
  int32_t pending; 
  
  
  
  // io_uring相关结构体 
  
  
  
  struct io_uring ring; 
  
  
  
  // 用于epoll中监听io_uring是否有事件触发 
  
  
  
  uv_poll_t poll_handle; 
  
  
  
 
  
  
  
}; 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
 
  
  
  
// 分配一个uv__backend_data_io_uring结构体 
  
  
  
 
  
  
  
backend_data = uv__malloc(sizeof(*backend_data)); 
  
  
  
ring = &backend_data->ring; 
  
  
  
 
  
  
  
// 初始化io_uring 
  
  
  
 
  
  
  
rc = io_uring_queue_init(IOURING_SQ_SIZE, ring, 0); 
  
  
  
 
  
  
  
// epoll的fd 
  
  
  
 
  
  
  
backend_data->fd = fd; 
  
  
  
 
  
  
  
// 初始化 
  
  
  
 
  
  
  
uv__handle_init(loop, &backend_data->poll_handle, UV_POLL); 
  
  
  
 
  
  
  
backend_data->poll_handle.flags |= UV_HANDLE_INTERNAL; 
  
  
  
 
  
  
  
// 初始化poll_handle的io观察者，fd是io_uring的fd，回调是uv__io_uring_done。 
  
  
  
 
  
  
  
uv__io_init(&backend_data->poll_handle.io_watcher, 
  
  
  
 
  
  
  
            uv__io_uring_done, 
  
  
  
            ring->ring_fd); 
  
  
  
 
  
  
  
loop->flags |= UV_LOOP_USE_IOURING; 
  
  
  
loop->backend.data = backend_data; 
 
 
 

我们看到初始化时对io_uring进行了初始化并且初始化了一个io观察者。接下来我们看在哪里使用。

 
 
 

  
  
  
int uv_fs_read(uv_loop_t* loop, uv_fs_t* req, 
  
  
  
               uv_file file, 
  
  
  
               const uv_buf_t bufs[], 
  
  
  
               unsigned int nbufs, 
  
  
  
               int64_t off, 
  
  
  
               uv_fs_cb cb) { 
  
  
  
  int rc; 
  
  
  
 
  
  
  
  INIT(READ); 
  
  
  
  req->file = file; 
  
  
  
  req->nbufs = nbufs; 
  
  
  
  req->bufs = req->bufsml; 
  
  
  
  memcpy(req->bufs, bufs, nbufs * sizeof(*bufs)); 
  
  
  
  req->off = off; 
  
  
  
  /* 
  
  
  
    优先调用uv__platform_fs_read，不支持则降级到原来线程池的方案 
  
  
  
    static int uv__fs_retry_with_threadpool(int rc) { 
  
  
  
      return rc == UV_ENOSYS || rc == UV_ENOTSUP || rc == UV_ENOMEM; 
  
  
  
    } 
  
  
  
  */ 
  
  
  
  rc = uv__platform_fs_read(loop, req, file, bufs, nbufs, off, cb); 
  
  
  
  if (!uv__fs_retry_with_threadpool(rc)) 
  
  
  
    return rc; 
  
  
  
 
  
  
  
  // 走到这说明使用降级方案 
  
  
  
  POST; 
  
  
  
 
  
  
  
} 
 
 
 

uv_fs_read函数是读取文件内容时执行的函数，之前时候给线程池提交一个任务，修改后，加了个前置的逻辑uvplatform_fs_read。我们看看uvplatform_fs_read。

 
 
 

  
  
  
int uv__platform_fs_read(uv_loop_t* loop, 
  
  
  
                         uv_fs_t* req, 
  
  
  
                         uv_os_fd_t file, 
  
  
  
                         const uv_buf_t bufs[], 
  
  
  
                         unsigned int nbufs, 
  
  
  
                         int64_t off, 
  
  
  
                         uv_fs_cb cb) { 
  
  
  
  return uv__io_uring_fs_work(IORING_OP_READV, 
  
  
  
                              loop, 
  
  
  
                              req, 
  
  
  
                              file, 
  
  
  
                              bufs, 
  
  
  
                              nbufs, 
  
  
  
                              off, 
  
  
  
                              cb);}int uv__io_uring_fs_work(uint8_t opcode, 
  
  
  
                         uv_loop_t* loop, 
  
  
  
                         uv_fs_t* req, 
  
  
  
                         uv_os_fd_t file, 
  
  
  
                         const uv_buf_t bufs[], 
  
  
  
                         unsigned int nbufs, 
  
  
  
                         int64_t off, 
  
  
  
                         uv_fs_cb cb) { 
  
  
  
  struct uv__backend_data_io_uring* backend_data; 
  
  
  
  struct io_uring_sqe* sqe; 
  
  
  
  int submitted; 
  
  
  
  uint32_t incr_val; 
  
  
  
  uv_poll_t* handle; 
  
  
  
 
  
  
  
  backend_data = loop->backend.data; 
  
  
  
 
  
  
  
  incr_val = (uint32_t)backend_data->pending + 1; 
  
  
  
  // 获取一个请求结构体 
  
  
  
  sqe = io_uring_get_sqe(&backend_data->ring); 
  
  
  
  // 初始化请求 
  
  
  
  sqe->opcode = opcode; 
  
  
  
  sqe->fd = file; 
  
  
  
  sqe->off = off; 
  
  
  
  sqe->addr = (uint64_t)req->bufs;  
  
  
  
  sqe->len = nbufs; 
  
  
  
  // 管理req上下文，任务完成时会用到 
  
  
  
  sqe->user_data = (uint64_t)req; 
  
  
  
  // 提交给内核，非阻塞式调用，返回提交任务的个数 
  
  
  
  submitted = io_uring_submit(&backend_data->ring); 
  
  
  
  // 提交成功 
  
  
  
  if (submitted == 1) { 
  
  
  
    req->priv.fs_req_engine |= UV__ENGINE_IOURING; 
  
  
  
    // 提交的时是第一个任务，则注册io观察者的等待可读事件 
  
  
  
    if (backend_data->pending++ == 0) { 
  
  
  
      handle = &backend_data->poll_handle; 
  
  
  
      uv__io_start(loop, &handle->io_watcher, POLLIN); 
  
  
  
      uv__handle_start(handle); 
  
  
  
    } 
  
  
  
    return 0; 
  
  
  
  } 
  
  
  
  return UV__ERR(errno); 
  
  
  
 
  
  
  
} 
 
 
 

我们看到上面的代码会给内核提交一个任务，但是不会等待内核返回，并在提交第一个任务的时候给epoll注册一个等待可读事件。我们看看io_uring的poll接口的实现(epoll原理可参考之前的文章)。

 
 
 

  
  
  
static __poll_t io_uring_poll(struct file *file, poll_table *wait){ 
  
  
  
    struct io_ring_ctx *ctx = file->private_data; 
  
  
  
    __poll_t mask = 0; 
  
  
  
 
  
  
  
    poll_wait(file, &ctx->cq_wait, wait); 
  
  
  
    smp_rmb(); 
  
  
  
    // 提交队列没满则可写 
  
  
  
    if (READ_ONCE(ctx->rings->sq.tail) - ctx->cached_sq_head != 
  
  
  
        ctx->rings->sq_ring_entries) 
  
  
  
        mask |= EPOLLOUT | EPOLLWRNORM; 
  
  
  
    // 完成队列非空则可读 
  
  
  
    if (io_cqring_events(ctx, false)) 
  
  
  
        mask |= EPOLLIN | EPOLLRDNORM; 
  
  
  
 
  
  
  
    return mask;}static unsigned io_cqring_events(struct io_ring_ctx *ctx, bool noflush){ 
  
  
  
    struct io_rings *rings = ctx->rings; 
  
  
  
    smp_rmb(); 
  
  
  
    // 完成队列非空则可读 
  
  
  
    return ctx->cached_cq_tail - READ_ONCE(rings->cq.head); 
  
  
  
 
  
  
  
} 
 
 
 

所以当io_uring有任务完成，即完成队列非空的时候，就会在Libuv的poll io被检测到，从而执行回调。

 
 
 

  
  
  
void uv__io_uring_done(uv_loop_t* loop, uv__io_t* w, unsigned int events) { 
  
  
  
  uv_poll_t* handle; 
  
  
  
  struct io_uring* ring; 
  
  
  
  struct uv__backend_data_io_uring* backend_data; 
  
  
  
  struct io_uring_cqe* cqe; 
  
  
  
  uv_fs_t* req; 
  
  
  
  int finished1; 
  
  
  
 
  
  
  
  handle = container_of(w, uv_poll_t, io_watcher); 
  
  
  
  backend_data = loop->backend.data; 
  
  
  
  ring = &backend_data->ring; 
  
  
  
 
  
  
  
  finished1 = 0; 
  
  
  
  while (1) {  
  
  
  
    // 获取完成节点 
  
  
  
    io_uring_peek_cqe(ring, &cqe); 
  
  
  
    // 全部任务完成则注销事件 
  
  
  
    if (--backend_data->pending == 0) 
  
  
  
      uv_poll_stop(handle); 
  
  
  
    // 获取响应对应的请求上下文 
  
  
  
    req = (void*) (uintptr_t) cqe->user_data; 
  
  
  
 
  
  
  
    if (req->result == 0) 
  
  
  
      req->result = cqe->res; 
  
  
  
    io_uring_cq_advance(ring, 1); 
  
  
  
    // 执行回调 
  
  
  
    req->cb(req); 
  
  
  
  } 
  
  
  
 
  
  
  
} 
 
 
 

至此我们看到了这个pr的逻辑，主要是为文件io引入了io_uring，文件io因为兼容性问题，在Libuv中使用线程池实现的，而io_uring支持普通文件，自然可以用于在Linux新版本上替换掉线程池方案。

后记：io_uring既强大又复杂。一切都交给内核来处理，完成后通知我们，我们不仅不需要再手动执行read，同时也减少了系统调用的成本，尤其需要多次read的时候。看起来是一个很棒的事情，io_uring---Linux上真正的异步IO。但其中所蕴含的知识远不止于此，有空再更。

网页题目：一篇带你了解io_uring和Node.js
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