图文详解io_uring高性能异步IO架构（原理篇）

说到高性能网络编程，我们第一时间想到的是epoll机制，epoll很长一段时间统治着整个网络编程江湖，然而io_uring的出现，似乎在撼动epoll的统治地位，今天我们来揭开io_uring的神秘面纱。

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1.io_uring简介

io_uring是一个Linux内核的异步I/O框架，它提供了高性能的异步I/O操作，io_uring的目标是通过减少系统调用和上下文切换的开销来提高I/O操作的性能。

io_uring通过使用环形缓冲区和事件驱动的方式来实现高效的异步I/O操作。

io_uring的设计使得应用程序可以同时处理大量的I/O操作，从而提高系统的吞吐量和响应速度。

2.io_uring实现原理

io_uring整体架构如下：

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2.1基础概念

• SQE：提交队列项，表示IO请求。
• CQE：完成队列项，表示IO请求结果。
• SQ：Submission Queue，提交队列，用于存储SQE的数组。
• CQ：Completion Queue，完成队列，用于存储CQE的数组。
• SQ Ring：SQ环形缓冲区，包含SQ，头部索引（head），尾部索引（tail），队列大小等信息。
• CQ Ring：CQ环形缓冲区，包含SQ，头部索引（head），尾部索引（tail），队列大小等信息。
• SQ线程：内核辅助线程，用于从SQ队列获取SQE，并提交给内核处理，并将IO请求结果生成CQE存储在CQ队列。

2.2 io_uring系统调用

• io_uring_setup()：用于初始化io_uring环境，创建io_uring实例。
• io_uring_enter()：用于提交和等待io_uring操作的系统调用，可以指定提交的操作数量和等待的超时时间。
• io_uring_register()：用于注册文件描述符或事件文件描述符到io_uring实例中，以便进行I/O操作。

2.3 liburing库

liburing是一个用于Linux的用户空间库，用于利用io_uring接口进行高性能的异步I/O操作，它提供了一组函数和数据结构，使开发者能够更方便地使用io_uring接口。

• io_uring_queue_init：初始化一个io_uring队列。
• io_uring_register：将文件描述符注册到io_uring队列中。
• io_uring_prep_read：准备一个读取操作。
• io_uring_prep_write：准备一个写入操作。
• io_uring_submit：提交一个或多个操作到io_uring队列中。
• io_uring_wait_cqe：等待一个完成的操作。
• io_uring_cqe_seen：标记一个完成的操作已经被处理。
• io_uring_queue_exit：关闭并释放io_uring队列。

2.4 工作流程

1. 创建io_uring对象：首先，需要创建一个io_uring对象，可以使用io_uring_setup()函数来完成。
2. 准备I/O请求：在进行I/O操作之前，需要准备相关的I/O请求。可以使用io_uring_prep_XXX()系列函数来准备不同类型的I/O请求，例如io_uring_prep_read()用于读取数据，io_uring_prep_write()用于写入数据。
3. 提交I/O请求：准备好I/O请求后，可以使用io_uring_submit()函数将请求提交给内核，内核会将这些请求放入一个队列中，等待执行。
4. 等待IO请求完成：可以使用io_uring_wait_cqe()函数来等待I/O请求的完成，一旦请求完成，内核会将完成事件放入一个完成队列中。
5. 获取IO请求结果：可以使用io_uring_peek_cqe()函数来获取完成队列中的完成事件。然后，可以通过事件的信息来处理完成的I/O请求，例如读取数据或者处理错误。
6. 释放IO请求结果：获取完IO请求结果，使用io_uring_cqe_seen()函数来释放IO请求结果，以便内核可以继续使用。
7. 重复执行：可以重复执行上述步骤，以处理更多的I/O请求。

3.内核实现

3.1 创建io_uring对象

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用户程序通过io_uring_setup系统调用创建和初始化io_uring对象，io_uring对象对应于struct io_ring_ctx结构体对象。

io_uring_setup主要工作：

• 创建struct io_ring_ctx对象并初始化。
• 创建struct io_urings对象并初始化，注意此时已完成CQ和所有CQE创建。
• 创建SQ和所有SQE并初始化。
• 如果struct io_ring_ctx对象flags参数设置IORING_SETUP_SQPOLL，则创建SQ线程。

3.2 fd绑定io_uring对象

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已创建的io_ring对象需要和fd进行绑定， 以便能够通过fd找到io_uring对象，创建一个新的file，file private_data成员指向io_ring对象，申请一个未使用的文件描述符fd，fd映射至file，并存储在进程已打开文件表中。

注意：mmap内存映射需要用到该fd。

3.3 io_uring对象内存映射

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通过io_uring_setup系统调用创建完io_uring对象后，用户程序还不能直接访问io_uring对象，此时用户程序需要通过mmap函数将io_uring对象SQ，CQ以及head和tail等相关内存空间映射出来。

完成mmap内存映射后，io_uring对象相关内存空间成为用户程序和内核共享内存空间，用户程序可以直接访问io_uring对象，不再需要通过执行系统调用访问，很大程度上提高了系统性能。

3.4 提交IO请求

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SQ Ring中有两个成员head（头部索引）和tail（尾部索引），头部索引指向SQ队列第一个已提交IO请求，尾部索引指向SQ下一个空闲SQE。

提交IO请求，只需要将tail指向的SQE填充IO请求信息，并让tail自增1，指向下一个空闲SQE。

注意：head和tail不是直接指向SQ数组，而是需要通过head&mask和tail &mask操作指向SQ数组，mask数组为数组长度减1，因为数组有固定大小，所以需要通过&mask方式防止越界访问数组，这种方式可以让数组形成一个环形缓冲区。

3.5 等待IO请求完成

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IO请求的处理有两种方式：

• 方式1：SQ线程从SQ队列中获取SQE（已提交IO请求），并发送给内核处理。
• 方式2：用户程序通过io_uring_enter系统调用从SQ队列中获取SQE（已提交IO请求），并发送给内核处理。

从SQ队列获取SQE只需要获取SQ Ring head指向的SQE，并让head自增指向下一个SQE即可。

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内核处理完IO请求后，SQ线程会申请CQ Ring tail指向的CQE存储IO请求结果，tail自增1指向下一个空闲CQE。

3.6 获取IO请求结果

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用户程序通过判断CQ Ring head和tail之间的差值，可以检测到是否有已完成IO请求，如果有已完成IO请求（CQE），获取CQ Ring head指向CQE，获取IO请求结果。

3.7 释放已完成IO请求

释放已完成IO请求只需要将CQ Ring head指针自增1指向下一个CQE即可，这样做的目的是防止重复获取IO请求结果。

io_uring为什么高效？

核心原因：io_uring通过mmap内存映射大大减少了系统调用，在高并发场景下，系统调用非常损耗系统性能。

其他原因：

• 减少拷贝：io_uring通过共享内存减少用户程序和内核数据拷贝。
• 批量操作：io_uring支持批量操作，一次性可以提交多个I/O请求，减少系统调用的次数，提高系统效率。
• 无锁环形队列：io_uring采用无锁队列实现用户程序与内核对共享内存的高效访问。

当前名称：图文详解io_uring高性能异步IO架构（原理篇）
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