【io_uring】简介和使用

ywang_wnlo

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分类专栏：存储文章标签： liburing io_uring

于 2021-10-23 14:27:42 首次发布

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io_uring是Linux 5.1引入的新型异步IO机制，由内核专家Jens Axboe创建，提供优于AIO的性能。它包括io_uring_setup、io_uring_enter和io_uring_register三个系统调用。liburing库简化了io_uring的用户态使用，提供了如io_uring-test、io_uring-cp等示例程序。使用流程涉及文件操作、io_uring结构体初始化、SQE填充及CQE处理。编译时需指定_GNU_SOURCE宏、头文件路径和liburing库。

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简介

io_uring 是 Linux 在 5.1 版本引入的一套新的异步 IO 实现。相比 Linux 在 2.6 版本引入的 AIO，io_uring 性能强很多，接近 SPDK[1]，同时支持 buffer IO

io_uring 的作者 Jens Axboe 是 Linux 内核块层和其他块设备的维护者，同时也是 CFQ、Noop、Deadline 调度器、blktrace 以及 FIO 的作者，对内核块层非常熟悉

使用

系统调用

io_uring 只增加了三个 Linux 系统调用分别是 io_uring_setup，io_uring_enter 和 io_uring_register

他们的入口都在 Linux 内核源码的 fs/io_uring.c 文件中

用户程序可以直接利用 syscall(__NR_xxx, ……) 的方式直接调用，使用起来很麻烦

liburing

由于直接使用系统调用较为复杂，Jens Axboe 还提供了封装好的用户态库 liburing，简化了 io_uring 的使用，代码位置在 github 上

样例

liburing 仓库的 examples/ 目录下提供了几个简单的样例程序：

文件	功能	其他
`io_uring-test.c`	读取一个文件的全部内容	-
`io_uring-cp.c`	复制一个文件的内容到另一个文件	利用 `user_data` 手动处理读写 IO 之间的依赖，读 IO 返回之后才下发写 IO
`link-cp.c`	复制一个文件的内容到另一个文件	同时下发读写，利用 `IOSQE_IO_LINK` 保证读写之间的依赖[2]
`ucontext-cp.c`	复制 n 个文件的内容到另 n 个文件	利用 `ucontext` 进行上下文切换，模拟协程

代码流程

仔细阅读前三个用例，可以看出利用 io_uring 的一般流程如下：

利用 open、fstat 等函数来打开文件以及元数据查看等操作
- 因为 io_uring 替换的是读写接口，后续 io_uring 操作的对象是 fd（由 open 函数执行返回的）
利用 io_uring_queue_init 初始化 struct io_uring ring 结构体
初始化 struct iovec *iovecs 结构体用于存放用户态 buffer 指针和长度
通过 io_uring_get_sqe 获取 sqe
通过 io_uring_prep_#OP 对 sqe 填充命令，buffer 以及 offset 信息
- 【可选】通过 io_uring_sqe_set_data 对 sqe 附加 user_data 信息（该信息会在 cqe 中进行返回）
通过 io_uring_submit 对整个 ring 的所有 sqe 进行下发
通过 io_uring_wait_cqe 或者 io_uring_peek_cqe 来获取 cqe
- io_uring_wait_cqe 会阻塞当前线程直到有一个 cqe 返回
- io_uring_peek_cqe 不会阻塞，如果当前没有 cqe，就会返回错误
- io_uring_cqe_get_data 可以从 cqe 中获取 user_data
通过 io_uring_cqe_seen 对当前 cqe 进行清除，避免被二次处理
所有 IO 完成后，通过 io_uring_queue_exit 将 ring 销毁

编译

根据官方 Makefile 可以看出编译时有额外的三个条件

定义 _GNU_SOURCE 宏，-D 宏定义
指定额外的头文件目录，-I 指定头文件目录位置
使用 liburing 库，-L 指定库位置，-l 指定库名

即 gcc -D_GNU_SOURCE -I../src/include/ -L../src/ -luring -o test test.c

其中头文件目录下主要有三个头文件：

$ tree src/include/
src/include/
├── liburing
│   ├── barrier.h
│   └── io_uring.h
└── liburing.h

1 directory, 3 files

而 liburing 库也需要编译生成，推荐直接在 liburing 的顶层目录直接 make all

参考资料

本文作者： ywang_wnlo
本文链接： https://ywang-wnlo.github.io/posts/c142853f/
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