MySQL存储引擎内部之：`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

好的，我们开始今天的讲座，主题是 MySQL 存储引擎 InnoDB 的 AIO（Asynchronous I/O），以及它在 Linux 和 Windows 下的异步 I/O 实现。

前言：为什么需要 AIO？

在深入探讨 InnoDB 的 AIO 实现之前，理解为什么需要 AIO 至关重要。传统的同步 I/O 操作（例如 read() 和 write()）会阻塞调用线程，直到 I/O 操作完成。在高负载的数据库环境中，大量的同步 I/O 操作会导致线程阻塞，从而降低整体性能和吞吐量。

AIO 允许应用程序发起 I/O 操作，而无需等待其完成。应用程序可以继续执行其他任务，并在 I/O 操作完成时通过回调、信号或事件通知进行处理。这种非阻塞特性显著提高了 I/O 密集型应用的性能。

InnoDB AIO 的架构概览

InnoDB 利用 AIO 来加速数据页的读取和写入操作，特别是对于随机 I/O 模式。InnoDB 的 AIO 实现依赖于操作系统提供的 AIO 接口。

AIO 请求提交: 当 InnoDB 需要读取或写入数据页时，它会创建一个 AIO 请求，该请求包含要操作的文件描述符、偏移量、数据缓冲区和回调函数。
I/O 调度: InnoDB 的 AIO 子系统负责将 AIO 请求提交给操作系统。具体提交方式取决于操作系统提供的 AIO 实现。
I/O 执行: 操作系统负责执行实际的 I/O 操作，并将数据从磁盘读取到内存，或将数据从内存写入磁盘。
完成通知: 当 I/O 操作完成时，操作系统会通知 InnoDB。
回调处理: InnoDB 收到完成通知后，会调用与 AIO 请求关联的回调函数。回调函数负责处理 I/O 操作的结果，例如释放缓冲区、更新内部数据结构或继续执行后续操作。

Linux 下的 AIO 实现

在 Linux 上，InnoDB 通常使用 libaio 库提供的 AIO 接口。 libaio 是一个用户空间库，它提供了 POSIX AIO API 的实现。

POSIX AIO API: Linux 提供的 POSIX AIO API 包括以下函数：
- aio_read(): 发起异步读操作。
- aio_write(): 发起异步写操作。
- aio_error(): 获取 AIO 操作的错误状态。
- aio_return(): 获取 AIO 操作的返回值。
- aio_suspend(): 等待一个或多个 AIO 操作完成。
- aio_cancel(): 取消一个 AIO 操作。
InnoDB 如何使用 libaio: InnoDB 使用 libaio 库来提交 AIO 请求，并等待请求完成。 InnoDB 通常会维护一个 AIO 请求队列，并将请求批量提交给操作系统，以减少系统调用的开销。

示例代码 (Linux):

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <aio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <vector>

// 定义 AIO 上下文结构
struct AIOContext {
    int fd;             // 文件描述符
    off_t offset;       // 文件偏移量
    size_t size;        // 数据大小
    char* buffer;      // 数据缓冲区
    struct aiocb aio;   // AIO 控制块
    int status;         // 操作状态
};

int main() {
    const char* filename = "test.txt";
    int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (fd == -1) {
        std::cerr << "Error opening file: " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }

    const size_t buffer_size = 512;
    char* buffer = new char[buffer_size];
    memset(buffer, 'A', buffer_size);

    // 创建 AIO 上下文
    AIOContext context;
    context.fd = fd;
    context.offset = 0;
    context.size = buffer_size;
    context.buffer = buffer;
    memset(&context.aio, 0, sizeof(struct aiocb));
    context.aio.aio_fildes = fd;
    context.aio.aio_offset = 0;
    context.aio.aio_buf = buffer;
    context.aio.aio_nbytes = buffer_size;
    context.aio.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_NONE;  // 不使用信号通知
    context.status = 0;

    // 发起异步写操作
    int ret = aio_write(&context.aio);
    if (ret == -1) {
        std::cerr << "Error submitting AIO write: " << strerror(errno) << std::endl;
        delete[] buffer;
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 可以执行其他任务，而无需等待 I/O 完成
    std::cout << "AIO write submitted. Doing other work..." << std::endl;

    // 等待 AIO 操作完成
    while (aio_error(&context.aio) == EINPROGRESS) {
         //循环等待
    }

    // 检查 AIO 操作的结果
    ssize_t bytes_written = aio_return(&context.aio);
    if (bytes_written == -1) {
        std::cerr << "Error during AIO write: " << strerror(errno) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "AIO write completed. Bytes written: " << bytes_written << std::endl;
    }

    // 清理
    delete[] buffer;
    close(fd);
    return 0;
}

代码解释:
1. 这段代码首先打开一个文件 (test.txt)，并分配一个缓冲区。
2. 然后，它创建一个 AIOContext 结构体，其中包含了 AIO 操作所需的信息，例如文件描述符、偏移量、缓冲区和 AIO 控制块 (aiocb)。
3. aio_write() 函数用于提交 AIO 写请求。
4. 在提交 AIO 请求后，程序可以继续执行其他任务。
5. aio_error() 函数用于检查 AIO 操作的状态。如果操作仍在进行中，则返回 EINPROGRESS。
6. aio_return() 函数用于获取 AIO 操作的结果。
7. 最后，程序清理分配的资源并关闭文件。
Direct I/O (O_DIRECT): 为了避免操作系统缓存的影响，InnoDB 通常会使用 Direct I/O (通过 O_DIRECT 标志打开文件)。 Direct I/O 绕过操作系统缓存，直接将数据写入磁盘或从磁盘读取数据。使用 Direct I/O 可以提高 I/O 操作的可预测性，并减少内存占用。但是，使用 Direct I/O 需要对齐缓冲区和文件偏移量，以满足底层存储设备的要求。

Windows 下的 AIO 实现

在 Windows 上，InnoDB 使用 Windows Overlapped I/O API 来实现 AIO。 Overlapped I/O 允许应用程序发起 I/O 操作，而无需等待其完成。

Windows Overlapped I/O API: Windows Overlapped I/O API 包括以下函数：
- ReadFile(): 发起异步读操作。
- WriteFile(): 发起异步写操作。
- GetOverlappedResult(): 获取 Overlapped I/O 操作的结果。
- CancelIo(): 取消一个 Overlapped I/O 操作。
InnoDB 如何使用 Overlapped I/O: InnoDB 使用 ReadFile() 和 WriteFile() 函数发起 AIO 请求，并使用 GetOverlappedResult() 函数等待请求完成。 InnoDB 同样会维护一个 AIO 请求队列，并将请求批量提交给操作系统。

示例代码 (Windows):

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <windows.h>
#include <string>

struct AIOContext {
    HANDLE hFile;
    OVERLAPPED overlapped;
    char* buffer;
    DWORD bufferSize;
    DWORD bytesTransferred;
    BOOL operationCompleted;
};

bool AsyncReadFile(AIOContext& context) {
    context.operationCompleted = FALSE;
    BOOL result = ReadFile(
        context.hFile,
        context.buffer,
        context.bufferSize,
        &context.bytesTransferred,
        &context.overlapped
    );

    if (!result) {
        DWORD error = GetLastError();
        if (error != ERROR_IO_PENDING) {
            std::cerr << "ReadFile failed with error: " << error << std::endl;
            return false;
        }
    }

    return true;
}

bool WaitForCompletion(AIOContext& context) {
    DWORD result = WaitForSingleObject(context.overlapped.hEvent, INFINITE);

    if (result == WAIT_OBJECT_0) {
        if (!GetOverlappedResult(context.hFile, &context.overlapped, &context.bytesTransferred, FALSE)) {
            DWORD error = GetLastError();
            std::cerr << "GetOverlappedResult failed with error: " << error << std::endl;
            return false;
        }
        context.operationCompleted = TRUE;
        return true;
    }
    else {
        std::cerr << "WaitForSingleObject failed." << std::endl;
        return false;
    }
}

int main() {
    //const char* filename = "test.txt";
    std::string filename = "test.txt";
    HANDLE hFile = CreateFileA(
        filename.c_str(),
        GENERIC_READ,
        FILE_SHARE_READ,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_FLAG_OVERLAPPED, // Required for asynchronous I/O
        NULL
    );

    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        std::cerr << "CreateFile failed with error: " << GetLastError() << std::endl;
        return 1;
    }

    const DWORD bufferSize = 512;
    char* buffer = new char[bufferSize];

    AIOContext context;
    context.hFile = hFile;
    context.buffer = buffer;
    context.bufferSize = bufferSize;
    context.overlapped = { 0 };
    context.overlapped.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);  // 手动重置事件

    if (context.overlapped.hEvent == NULL) {
        std::cerr << "CreateEvent failed with error: " << GetLastError() << std::endl;
        CloseHandle(hFile);
        delete[] buffer;
        return 1;
    }

    // 发起异步读操作
    if (!AsyncReadFile(context)) {
        CloseHandle(hFile);
        CloseHandle(context.overlapped.hEvent);
        delete[] buffer;
        return 1;
    }

    // 可以执行其他任务
    std::cout << "Async read submitted. Doing other work..." << std::endl;

    // 等待操作完成
    if (!WaitForCompletion(context)) {
        CloseHandle(hFile);
        CloseHandle(context.overlapped.hEvent);
        delete[] buffer;
        return 1;
    }

    // 打印读取的数据
    std::cout << "Bytes read: " << context.bytesTransferred << std::endl;
    std::cout << "Data read: " << std::string(buffer, context.bytesTransferred) << std::endl;

    // 清理资源
    CloseHandle(hFile);
    CloseHandle(context.overlapped.hEvent);
    delete[] buffer;

    return 0;
}

代码解释:
1. 这段代码首先使用 CreateFile() 函数打开一个文件，并指定 FILE_FLAG_OVERLAPPED 标志，以启用 Overlapped I/O。
2. 然后，它分配一个缓冲区和一个 OVERLAPPED 结构体。 OVERLAPPED 结构体用于存储 AIO 操作的状态信息。
3. ReadFile() 函数用于提交 AIO 读请求。
4. 在提交 AIO 请求后，程序可以继续执行其他任务。
5. WaitForSingleObject() 函数用于等待 AIO 操作完成。
6. GetOverlappedResult() 函数用于获取 AIO 操作的结果。
7. 最后，程序清理分配的资源并关闭文件。
Direct I/O (FILE_FLAG_NO_BUFFERING): 类似于 Linux，Windows 也支持 Direct I/O。可以使用 FILE_FLAG_NO_BUFFERING 标志打开文件以启用 Direct I/O。使用 Direct I/O 同样需要对齐缓冲区和文件偏移量。

AIO 的配置和调优

InnoDB 提供了多个配置选项来控制 AIO 的行为：

innodb_use_native_aio: 启用或禁用 native AIO。默认值为 ON。
innodb_read_io_threads: 用于读取操作的 AIO 线程数。默认值为 4。
innodb_write_io_threads: 用于写入操作的 AIO 线程数。默认值为 4。
innodb_io_capacity: InnoDB 认为磁盘每秒可以执行的 I/O 操作数。这个值用于调整 InnoDB 的 I/O 调度策略。默认值为 200。

根据具体的硬件配置和工作负载，调整这些参数可以提高 AIO 的性能。通常，增加 I/O 线程数可以提高并发性，但也会增加 CPU 消耗。 innodb_io_capacity 参数应该根据磁盘的实际性能进行调整。如果 innodb_io_capacity 设置得太低，InnoDB 可能会限制 I/O 操作的数量，从而导致性能瓶颈。如果 innodb_io_capacity 设置得太高，InnoDB 可能会过度调度 I/O 操作，从而导致磁盘拥塞。

AIO 的优缺点

优点:
- 提高 I/O 密集型应用的性能。
- 提高吞吐量和并发性。
- 减少线程阻塞。
缺点:
- 增加了代码的复杂性。
- 需要操作系统支持 AIO。
- 可能需要对齐缓冲区和文件偏移量。
- 配置不当可能导致性能下降。

结论

InnoDB 的 AIO 实现是提高数据库性能的关键技术之一。通过利用操作系统提供的 AIO 接口，InnoDB 可以异步地执行 I/O 操作，从而减少线程阻塞，提高吞吐量和并发性。在 Linux 上，InnoDB 通常使用 libaio 库提供的 AIO 接口。在 Windows 上，InnoDB 使用 Windows Overlapped I/O API 来实现 AIO。正确配置和调优 AIO 参数可以进一步提高数据库的性能。理解 AIO 的工作原理以及操作系统相关的实现细节，对于数据库管理员和开发人员至关重要。

核心要点概括

AIO 技术通过异步执行 I/O 操作，显著提升数据库性能，减少线程阻塞。Linux 下通常使用 libaio 库，而 Windows 下采用 Overlapped I/O API。适当的配置和调优 AIO 参数能够进一步优化数据库性能。

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