io_uring 开篇

io_uring

io_uring 是 Linux 内核自 5.1 引入。它的设计目标是减少系统调用开销、提升吞吐量、支持无锁提交/完成队列等，特别适合高并发、高性能场景（如数据库、网络服务器等）。

io_uring 核心机制概述（基于 Linux 5.15）

核心组件

• Submission Queue（SQ）: 用户空间可见的循环队列，用于提交 I/O 请求。
• Completion Queue（CQ）: 用户空间可见的循环队列，用于读取完成的请求信息。
• 内核环（uring）结构体: 管理 SQ、CQ 和相关资源。
• io_kiocb: 每个 I/O 请求的内核表示，包含回调、状态、buffer 等。

基本流程

用户空间提交 I/O：
1. 将请求写入 SQ（SQE - Submission Queue Entry）
2. 调用 `io_uring_enter()` 通知内核处理
3. 内核处理请求，并在完成后写入 CQ（CQE - Completion Queue Entry）
4. 用户空间轮询 CQ 获取结果

性能设计亮点

• 无锁环形队列：内核与用户空间共享，支持并发高效访问
• 缓冲区注册（fixed buffers）：避免多次内存映射和拷贝
• 注册文件描述符：减少内核文件结构查找成本
• 支持多种操作类型：
  • READ, WRITE, SEND, RECV, ACCEPT, CONNECT
  • FSYNC, OPENAT, CLOSE, STATX
  • PROVIDE_BUFFERS, READ_FIXED（zero-copy）
  • IORING_OP_TIMEOUT, POLL_ADD, CANCEL

示例代码（简化版本）

struct io_uring ring;
io_uring_queue_init(32, &ring, 0);

struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, len, offset);

io_uring_submit(&ring);

struct io_uring_cqe *cqe;
io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
printf("read result: %d\n", cqe->res);
io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);

应用场景

• 高并发网络服务（结合 send/recv)
• 零拷贝文件服务器（配合 fixed buffer）
• 高性能数据库（异步 fsync/write）
• 替代 epoll + thread pool 架构（更低 latency）