MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`AIO`：其在`Linux`和`Windows`下的异步`I/O`实现。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL InnoDB 存储引擎之 AIO：Linux 和 Windows 下的异步 I/O 实现

大家好，今天我们深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的一个关键性能优化特性：异步 I/O (AIO)。我们将重点关注 InnoDB 在 Linux 和 Windows 平台上的 AIO 实现细节，并通过代码示例和逻辑分析，帮助大家理解 AIO 的工作原理以及它如何提升数据库性能。

1. 什么是 AIO？为什么要使用 AIO？

首先，让我们明确一下什么是 AIO。传统的同步 I/O 操作，例如 read() 和 write()，会在 I/O 操作完成之前阻塞调用线程。这意味着线程必须等待数据从磁盘读取到内存，或者数据从内存写入到磁盘后才能继续执行其他任务。在高负载的数据库环境中，大量的同步 I/O 操作会导致线程长时间阻塞，从而降低整体性能。

AIO 则不同，它允许应用程序发起 I/O 操作后立即返回，而无需等待操作完成。I/O 操作在后台异步执行，当操作完成时，应用程序会收到通知（例如，通过回调函数、信号或事件）。这样，线程就可以在 I/O 操作进行的同时执行其他任务，从而提高 CPU 利用率和系统吞吐量。

使用 AIO 的主要优势包括：

更高的吞吐量： 允许并发执行多个 I/O 操作，减少线程阻塞时间。
更低的延迟： 应用程序无需等待单个 I/O 操作完成，可以更快地响应请求。
更好的 CPU 利用率： 线程可以利用 I/O 等待时间执行其他任务。
提升响应速度： 改善了数据库的整体响应速度，尤其是在高并发场景下。

2. InnoDB 中的 AIO 架构

InnoDB 使用 AIO 来进行数据文件的读取和写入操作。为了更好地理解 InnoDB 的 AIO 实现，我们先来看一下它的整体架构。

InnoDB 的 AIO 实现主要涉及以下几个组件：

I/O Request Coordinator: 负责接收 I/O 请求，并将它们提交给 AIO 子系统。
AIO Subsystem: 处理实际的异步 I/O 操作，包括请求的提交、完成状态的监控和结果的处理。
OS-Specific AIO Implementation: 针对不同的操作系统，InnoDB 使用不同的 AIO 实现。例如，在 Linux 上使用 libaio，在 Windows 上使用 overlapped I/O。
Completion Queue: 用于存放已完成的 I/O 操作的结果。

3. Linux 下的 AIO 实现：libaio

在 Linux 平台上，InnoDB 使用 libaio 库来实现 AIO。libaio 是 Linux 内核提供的异步 I/O 接口，它允许应用程序在内核级别发起异步 I/O 操作，而无需使用线程池或信号等机制。

以下是一个使用 libaio 进行异步读取操作的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <libaio.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 512
#define FILE_NAME "test.txt"

int main() {
    int fd;
    io_context_t ctx;
    struct iocb cb;
    struct iocb *cbs[1];
    char *buf;
    int ret;

    // 1. 打开文件
    fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY | O_DIRECT); // O_DIRECT 绕过 page cache
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 2. 分配缓冲区 (必须是扇区大小的整数倍)
    ret = posix_memalign((void **)&buf, 512, BUF_SIZE); // 保证 buf 地址对齐
    if (ret != 0) {
        perror("posix_memalign");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 3. 初始化 AIO 上下文
    memset(&ctx, 0, sizeof(ctx));
    ret = io_setup(1, &ctx); // 1 indicates the maximum number of events
    if (ret < 0) {
        perror("io_setup");
        free(buf);
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 4. 初始化 AIO 控制块
    memset(&cb, 0, sizeof(cb));
    cb.aio_fildes = fd;
    cb.aio_lio_opcode = IOCB_CMD_PREAD;
    cb.aio_buf = (uint64_t)buf;
    cb.aio_nbytes = BUF_SIZE;
    cb.aio_offset = 0; // 从文件开头读取
    cb.aio_data = NULL; // 可以传递用户自定义数据

    // 5. 提交 AIO 请求
    cbs[0] = &cb;
    ret = io_submit(ctx, 1, cbs);
    if (ret < 0) {
        perror("io_submit");
        io_destroy(ctx);
        free(buf);
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("AIO request submitted.n");

    // 6. 等待 AIO 完成
    struct io_event events[1];
    ret = io_getevents(ctx, 1, 1, events, NULL); // 等待至少一个事件完成
    if (ret < 0) {
        perror("io_getevents");
        io_destroy(ctx);
        free(buf);
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("AIO request completed.n");
    printf("Bytes read: %ldn", events[0].res);

    // 7. 处理读取到的数据
    printf("Data read: %.*sn", (int)events[0].res, buf);

    // 8. 清理资源
    io_destroy(ctx);
    free(buf);
    close(fd);

    return 0;
}

代码解释：

打开文件 (O_DIRECT): O_DIRECT 标志绕过操作系统的页面缓存，直接从磁盘读取数据。这在数据库系统中很重要，因为 InnoDB 通常自己管理缓存。使用 O_DIRECT 可以避免双重缓存。
分配缓冲区 (posix_memalign): libaio 要求缓冲区地址和长度必须是对齐的（通常是扇区大小的整数倍，例如 512 字节）。posix_memalign 函数用于分配对齐的内存。
初始化 AIO 上下文 (io_setup): AIO 上下文用于管理 AIO 请求。io_setup 函数创建一个 AIO 上下文。
初始化 AIO 控制块 (iocb): iocb 结构体包含了 AIO 请求的详细信息，例如文件描述符、操作类型 (读取或写入)、缓冲区地址、数据长度和偏移量。
提交 AIO 请求 (io_submit): io_submit 函数将 AIO 请求提交给内核。
等待 AIO 完成 (io_getevents): io_getevents 函数等待 AIO 操作完成。它会阻塞直到至少指定数量的事件完成。
处理读取到的数据：从缓冲区 buf 中读取数据。
清理资源: 释放 AIO 上下文、缓冲区和关闭文件。

InnoDB 如何使用 libaio：

InnoDB 内部维护一个 AIO 线程池。当需要执行 I/O 操作时，InnoDB 会将 I/O 请求提交给 AIO 线程池。AIO 线程池中的线程会使用 libaio 来执行异步 I/O 操作。当 I/O 操作完成时，AIO 线程会将结果放入完成队列中，等待 InnoDB 的其他组件处理。

重要考虑事项：

O_DIRECT 的使用： 使用 O_DIRECT 可以避免双重缓存，但需要确保缓冲区地址和长度是对齐的。
错误处理： AIO 操作可能会失败，因此必须进行适当的错误处理。
性能调优： AIO 的性能取决于多个因素，例如磁盘性能、CPU 负载和 AIO 线程池的大小。需要根据实际情况进行性能调优。

4. Windows 下的 AIO 实现：Overlapped I/O

在 Windows 平台上，InnoDB 使用 Overlapped I/O 来实现 AIO。Overlapped I/O 是 Windows API 提供的一种异步 I/O 机制，它允许应用程序发起 I/O 操作后立即返回，并通过事件对象或完成例程来接收 I/O 完成通知。

以下是一个使用 Overlapped I/O 进行异步读取操作的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>

#define BUF_SIZE 512
#define FILE_NAME "test.txt"

int main() {
    HANDLE hFile;
    OVERLAPPED ov;
    char *buf;
    DWORD bytesRead;
    BOOL bResult;

    // 1. 打开文件
    hFile = CreateFile(
        FILE_NAME,
        GENERIC_READ,
        0,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 重要：指定 Overlapped I/O
        NULL);

    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        fprintf(stderr, "CreateFile failed with error %dn", GetLastError());
        return 1;
    }

    // 2. 分配缓冲区
    buf = (char *)malloc(BUF_SIZE);
    if (buf == NULL) {
        fprintf(stderr, "malloc failedn");
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    // 3. 初始化 OVERLAPPED 结构体
    memset(&ov, 0, sizeof(ov));
    ov.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); // 创建事件对象，用于通知 I/O 完成
    if (ov.hEvent == NULL) {
        fprintf(stderr, "CreateEvent failed with error %dn", GetLastError());
        free(buf);
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    // 4. 发起异步读取操作
    bResult = ReadFile(
        hFile,
        buf,
        BUF_SIZE,
        NULL, // 忽略此参数，因为是 Overlapped I/O
        &ov);

    if (!bResult && GetLastError() != ERROR_IO_PENDING) { // ERROR_IO_PENDING 表示操作正在进行中
        fprintf(stderr, "ReadFile failed with error %dn", GetLastError());
        CloseHandle(ov.hEvent);
        free(buf);
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    printf("AIO request submitted.n");

    // 5. 等待 I/O 完成
    DWORD waitResult = WaitForSingleObject(ov.hEvent, INFINITE); // 等待事件对象被设置为 signaled

    if (waitResult == WAIT_FAILED) {
        fprintf(stderr, "WaitForSingleObject failed with error %dn", GetLastError());
        CloseHandle(ov.hEvent);
        free(buf);
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    // 6. 获取读取的字节数
    bResult = GetOverlappedResult(hFile, &ov, &bytesRead, FALSE); // FALSE 表示不等待

    if (!bResult) {
        fprintf(stderr, "GetOverlappedResult failed with error %dn", GetLastError());
        CloseHandle(ov.hEvent);
        free(buf);
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    printf("AIO request completed.n");
    printf("Bytes read: %ldn", bytesRead);

    // 7. 处理读取到的数据
    printf("Data read: %.*sn", (int)bytesRead, buf);

    // 8. 清理资源
    CloseHandle(ov.hEvent);
    free(buf);
    CloseHandle(hFile);

    return 0;
}

代码解释：

打开文件 (FILE_FLAG_OVERLAPPED): FILE_FLAG_OVERLAPPED 标志指定使用 Overlapped I/O。
分配缓冲区: 分配用于存储读取数据的缓冲区。
初始化 OVERLAPPED 结构体: OVERLAPPED 结构体包含了异步 I/O 操作的信息。hEvent 成员是一个事件对象，用于通知应用程序 I/O 操作已完成。
发起异步读取操作 (ReadFile): ReadFile 函数发起异步读取操作。注意，ReadFile 函数的第四个参数（用于接收读取的字节数）在这里被设置为 NULL，因为我们使用的是 Overlapped I/O，读取的字节数将在 GetOverlappedResult 函数中获取。
等待 I/O 完成 (WaitForSingleObject): WaitForSingleObject 函数等待事件对象被设置为 signaled，表示 I/O 操作已完成。
获取读取的字节数 (GetOverlappedResult): GetOverlappedResult 函数获取异步 I/O 操作的结果，包括读取的字节数和错误代码。
处理读取到的数据:从缓冲区 buf 中读取数据。
清理资源: 关闭事件对象、释放缓冲区和关闭文件。

InnoDB 如何使用 Overlapped I/O：

与 Linux 类似，InnoDB 在 Windows 上也维护一个 AIO 线程池。当需要执行 I/O 操作时，InnoDB 会将 I/O 请求提交给 AIO 线程池。AIO 线程池中的线程会使用 Overlapped I/O 来执行异步 I/O 操作。当 I/O 操作完成时，AIO 线程会将结果放入完成队列中，等待 InnoDB 的其他组件处理。 InnoDB 使用 Windows 的 QueueUserAPC 函数，将完成例程排队到发出 I/O 请求的线程，从而避免了额外的线程切换开销。

重要考虑事项：

事件对象的使用： 事件对象是 Overlapped I/O 中用于通知 I/O 完成的关键机制。
错误处理： AIO 操作可能会失败，因此必须进行适当的错误处理。
性能调优： AIO 的性能取决于多个因素，例如磁盘性能、CPU 负载和 AIO 线程池的大小。需要根据实际情况进行性能调优。

5. AIO 的配置和监控

InnoDB 提供了多个配置参数来控制 AIO 的行为。以下是一些常用的参数：

参数	描述
`innodb_use_native_aio`	控制是否使用操作系统提供的原生 AIO 支持。默认情况下，在 Linux 上为 `ON`，在 Windows 上自动使用 Overlapped I/O。
`innodb_read_io_threads`	用于读取操作的 I/O 线程数量。
`innodb_write_io_threads`	用于写入操作的 I/O 线程数量。
`innodb_io_capacity`	InnoDB 执行 I/O 操作的速率限制。较高的值允许 InnoDB 执行更多的 I/O 操作，但可能会导致更高的磁盘利用率。
`innodb_stats_persistent_sample_pages`	用于统计信息持久化的采样页面数量。增加此值可能增加 I/O 负载。
`innodb_flush_neighbors`	控制在刷新脏页时是否刷新相邻页面。将其设置为 0 可以减少 I/O 操作，但可能会增加恢复时间。

可以使用 SHOW GLOBAL STATUS 命令来监控 AIO 的性能。以下是一些常用的状态变量：

状态变量	描述
`Innodb_data_reads`	InnoDB 执行的数据读取操作总数。
`Innodb_data_writes`	InnoDB 执行的数据写入操作总数。
`Innodb_data_fsyncs`	InnoDB 执行的 `fsync()` 操作总数。 `fsync()` 用于将数据强制写入磁盘。
`Innodb_os_log_fsyncs`	InnoDB 执行的日志 `fsync()` 操作总数。
`Innodb_pages_read`	InnoDB 读取的页面总数。
`Innodb_pages_written`	InnoDB 写入的页面总数。
`Innodb_pending_aio_reads`	当前正在等待完成的异步读取操作数量。
`Innodb_pending_aio_writes`	当前正在等待完成的异步写入操作数量。
`Innodb_have_atomic_builtins`	指示服务器是否使用原子操作（例如 `atomic_inc`）来提高性能。

通过监控这些状态变量，可以了解 AIO 的性能瓶颈，并进行相应的配置调整。

6. 结论

AIO 是 InnoDB 存储引擎中一个重要的性能优化特性。通过使用 AIO，InnoDB 可以并发执行多个 I/O 操作，从而提高 CPU 利用率和系统吞吐量。在 Linux 上，InnoDB 使用 libaio 库来实现 AIO；在 Windows 上，InnoDB 使用 Overlapped I/O 来实现 AIO。理解 AIO 的工作原理以及如何配置和监控 AIO，对于优化 MySQL 数据库的性能至关重要。

7. AIO 的重要性及实现细节

本文深入探讨了 InnoDB 存储引擎中 AIO 的概念、优势及其在 Linux 和 Windows 平台上的具体实现。通过代码示例和逻辑分析，我们了解了 libaio 和 Overlapped I/O 的使用方法，以及 InnoDB 如何利用这些技术提升数据库性能。

MySQL InnoDB 存储引擎之 AIO：Linux 和 Windows 下的异步 I/O 实现

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