C++实现高性能异步I/O：利用`io_uring`/`IOCP`实现内核级事件通知 - 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，我们开始吧。

C++实现高性能异步I/O：利用io_uring/IOCP实现内核级事件通知

大家好，今天我们来探讨如何在C++中实现高性能的异步I/O，主要关注io_uring (Linux) 和 IOCP (Windows) 这两种技术。我们的目标是理解它们的工作原理，并学习如何在实际项目中应用它们。

1. 异步I/O的必要性：为什么需要异步？

传统的同步I/O操作（例如read、write）会阻塞调用线程，直到I/O操作完成。在高并发场景下，大量的线程可能被阻塞在I/O操作上，导致系统资源利用率低下。

异步I/O允许应用程序发起I/O操作后立即返回，无需等待操作完成。操作系统会在后台处理I/O请求，并在操作完成后通知应用程序。这使得应用程序能够并发处理多个I/O请求，显著提高性能和吞吐量。

2. io_uring：Linux下的异步I/O利器

io_uring 是Linux内核提供的一种新型异步I/O接口，它通过共享队列的方式，减少了用户态和内核态之间的上下文切换，从而提高了I/O性能。

2.1 io_uring 的工作原理

io_uring 引入了两个核心的环形缓冲区：

提交队列 (Submission Queue, SQ): 应用程序将I/O请求放入SQ。
完成队列 (Completion Queue, CQ): 内核将完成的I/O操作的结果放入CQ。

应用程序通过 io_uring_enter 系统调用将SQ中的请求提交给内核。内核异步地处理这些请求，并将结果放入CQ。应用程序可以定期检查CQ，以获取已完成的I/O操作的结果。

2.2 io_uring API 概述

常用的 io_uring API 包括：

io_uring_queue_init: 初始化 io_uring 实例。
io_uring_get_sqe: 获取一个可用的提交队列条目 (Submission Queue Entry, SQE)。
io_uring_prep_*: 准备一个I/O操作请求，例如 io_uring_prep_read、io_uring_prep_write。
io_uring_submit: 将SQE提交到内核。
io_uring_wait_cqe: 等待CQE (Completion Queue Entry) 可用。
io_uring_peek_cqe: 非阻塞地检查CQE是否可用。
io_uring_cqe_seen: 标记一个CQE已被处理。
io_uring_queue_exit: 释放 io_uring 实例。

2.3 io_uring 示例代码

下面是一个简单的 io_uring 示例，用于异步读取文件：

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <liburing.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

const int QUEUE_DEPTH = 128;

int main() {
  io_uring ring;
  int fd;
  char *buffer;
  struct io_uring_cqe *cqe;
  struct io_uring_sqe *sqe;
  int ret;

  // 1. 初始化 io_uring
  ret = io_uring_queue_init(QUEUE_DEPTH, &ring, 0);
  if (ret < 0) {
    std::cerr << "io_uring_queue_init failed: " << strerror(-ret) << std::endl;
    return 1;
  }

  // 2. 打开文件
  fd = open("test.txt", O_RDONLY);
  if (fd < 0) {
    std::cerr << "open failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }

  // 3. 获取文件大小
  struct stat st;
  if (fstat(fd, &st) < 0) {
    std::cerr << "fstat failed: " << strerror(errno) << std::endl;
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }
  size_t file_size = st.st_size;

  // 4. 分配缓冲区
  buffer = (char*)malloc(file_size);
  if (!buffer) {
    std::cerr << "malloc failed" << std::endl;
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }

  // 5. 准备 SQE
  sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
  if (!sqe) {
    std::cerr << "io_uring_get_sqe failed" << std::endl;
    free(buffer);
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }

  io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, file_size, 0);
  io_uring_sqe_set_data(sqe, buffer); // 将buffer指针与SQE关联，方便后续处理

  // 6. 提交 SQE
  ret = io_uring_submit(&ring);
  if (ret < 0) {
    std::cerr << "io_uring_submit failed: " << strerror(-ret) << std::endl;
    free(buffer);
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }

  // 7. 等待 CQE
  ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
  if (ret < 0) {
    std::cerr << "io_uring_wait_cqe failed: " << strerror(-ret) << std::endl;
    free(buffer);
    close(fd);
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return 1;
  }

  // 8. 处理 CQE
  if (cqe->res < 0) {
    std::cerr << "read failed: " << strerror(-cqe->res) << std::endl;
  } else {
    std::cout << "Read " << cqe->res << " bytes" << std::endl;
    std::cout << "Content: " << buffer << std::endl;
  }

  io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);

  // 9. 清理
  free(buffer);
  close(fd);
  io_uring_queue_exit(&ring);

  return 0;
}

编译运行：

确保安装了 liburing 开发库。在Debian/Ubuntu上，使用 sudo apt-get install liburing-dev 安装。
使用以下命令编译代码：g++ -o io_uring_example io_uring_example.cpp -luring
创建一个名为 test.txt 的文件，并写入一些内容。
运行程序：./io_uring_example

代码解释：

第1步: io_uring_queue_init 初始化 io_uring 实例，指定队列深度。
第2步: 打开要读取的文件。
第3步: 获取文件的大小，以便分配足够的缓冲区。
第4步: 使用 malloc 分配缓冲区。
第5步: 使用 io_uring_get_sqe 获取一个可用的SQE。使用 io_uring_prep_read 准备一个读取请求。io_uring_sqe_set_data 将 buffer 指针与SQE关联，这样在CQE中就可以获取到该指针，方便后续处理读取的数据。
第6步: 使用 io_uring_submit 将SQE提交给内核。
第7步: 使用 io_uring_wait_cqe 等待I/O操作完成。
第8步: 检查CQE的 res 字段，如果 res 小于0，则表示发生了错误。否则，res 包含实际读取的字节数。从 buffer 中读取数据并打印。使用 io_uring_cqe_seen 标记CQE已被处理。
第9步: 释放资源。

2.4 io_uring 的优势

高性能: 通过共享队列和零拷贝技术，减少了用户态和内核态之间的上下文切换和数据拷贝。
灵活性: 支持多种I/O操作，包括读取、写入、网络操作等。
易用性: liburing 库提供了方便的API，简化了 io_uring 的使用。
可扩展性: 可以处理大量的并发I/O请求。

3. IOCP：Windows下的异步I/O模型

IOCP (I/O Completion Ports) 是Windows操作系统提供的一种高效的异步I/O机制。它允许应用程序在一个或多个线程上并发处理大量的I/O请求。

3.1 IOCP 的工作原理

IOCP 的核心组件包括：

I/O Completion Port (完成端口): 一个内核对象，用于管理异步I/O请求的完成通知。
File Handle (文件句柄): 与完成端口关联的文件句柄。
Worker Threads (工作线程): 从完成端口获取完成的I/O请求，并进行处理。

应用程序首先创建一个完成端口，并将需要进行异步I/O操作的文件句柄与该完成端口关联。然后，应用程序发起异步I/O操作（例如 ReadFile、WriteFile），并将一个 OVERLAPPED 结构体传递给这些函数。

当I/O操作完成时，操作系统会将一个完成通知放入完成端口。工作线程通过 GetQueuedCompletionStatus 函数从完成端口获取完成通知，并处理相应的I/O操作结果。

3.2 IOCP API 概述

常用的 IOCP API 包括：

CreateIoCompletionPort: 创建一个完成端口。
CreateFile: 创建或打开文件，并返回文件句柄。
CreateEvent: 创建事件对象，用于在I/O操作完成时通知工作线程。
ReadFile, WriteFile: 发起异步I/O操作。需要使用 OVERLAPPED 结构体。
GetQueuedCompletionStatus: 从完成端口获取完成通知。
PostQueuedCompletionStatus: 向完成端口发布自定义的完成通知。
CloseHandle: 关闭句柄（包括文件句柄、完成端口句柄等）。

3.3 IOCP 示例代码

下面是一个简单的 IOCP 示例，用于异步读取文件：

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

// 定义一个结构体，用于存储 OVERLAPPED 结构体和缓冲区信息
struct OVERLAPPED_DATA {
  OVERLAPPED overlapped;
  char* buffer;
  DWORD bytes_read;
  HANDLE hEvent;
};

int main() {
  HANDLE hCompletionPort = NULL;
  HANDLE hFile = NULL;
  OVERLAPPED_DATA overlapped_data;
  char* buffer = NULL;
  DWORD file_size = 0;
  DWORD num_bytes_read = 0;
  BOOL result = FALSE;

  // 1. 创建完成端口
  hCompletionPort = CreateIoCompletionPort(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, 0, 0);
  if (hCompletionPort == NULL) {
    std::cerr << "CreateIoCompletionPort failed: " << GetLastError() << std::endl;
    return 1;
  }

  // 2. 打开文件
  hFile = CreateFile(
      "test.txt",
      GENERIC_READ,
      0,
      NULL,
      OPEN_EXISTING,
      FILE_ATTRIBUTE_NORMAL | FILE_FLAG_OVERLAPPED,
      NULL);

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

  // 3. 将文件句柄与完成端口关联
  if (CreateIoCompletionPort(hFile, hCompletionPort, (ULONG_PTR)hFile, 0) == NULL) {
    std::cerr << "CreateIoCompletionPort (associate file) failed: " << GetLastError() << std::endl;
    CloseHandle(hFile);
    CloseHandle(hCompletionPort);
    return 1;
  }

  // 4. 获取文件大小
  file_size = GetFileSize(hFile, NULL);
  if (file_size == INVALID_FILE_SIZE) {
    std::cerr << "GetFileSize failed: " << GetLastError() << std::endl;
    CloseHandle(hFile);
    CloseHandle(hCompletionPort);
    return 1;
  }

  // 5. 分配缓冲区
  buffer = new char[file_size + 1]; // +1 for null terminator
  if (buffer == NULL) {
    std::cerr << "Memory allocation failed" << std::endl;
    CloseHandle(hFile);
    CloseHandle(hCompletionPort);
    return 1;
  }
  memset(buffer, 0, file_size + 1); // Initialize with zeros

  // 6. 初始化 OVERLAPPED 结构体
  ZeroMemory(&overlapped_data, sizeof(OVERLAPPED_DATA));
  overlapped_data.overlapped.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); // Create event for signaling completion
  overlapped_data.buffer = buffer;

  // 7. 发起异步读取操作
  result = ReadFile(
      hFile,
      buffer,
      file_size,
      NULL, // lpNumberOfBytesRead is NULL for async operations
      &overlapped_data.overlapped);

  if (!result && GetLastError() != ERROR_IO_PENDING) {
    std::cerr << "ReadFile failed: " << GetLastError() << std::endl;
    CloseHandle(hFile);
    CloseHandle(hCompletionPort);
    CloseHandle(overlapped_data.overlapped.hEvent);
    delete[] buffer;
    return 1;
  }

  // 8. 创建工作线程，从完成端口获取完成通知
  HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, [](LPVOID lpParameter) -> DWORD {
    HANDLE hCompletionPort = (HANDLE)lpParameter;
    DWORD bytes_transferred;
    ULONG_PTR completion_key;
    OVERLAPPED* pOverlapped;

    BOOL result = GetQueuedCompletionStatus(
        hCompletionPort,
        &bytes_transferred,
        &completion_key,
        &pOverlapped,
        INFINITE);

    if (result == FALSE) {
      std::cerr << "GetQueuedCompletionStatus failed: " << GetLastError() << std::endl;
      return 1;
    }

    if (pOverlapped != NULL) {
      OVERLAPPED_DATA* pData = reinterpret_cast<OVERLAPPED_DATA*>(pOverlapped);
      pData->bytes_read = bytes_transferred;  // Store the number of bytes read

      std::cout << "Read " << pData->bytes_read << " bytes." << std::endl;
      std::cout << "Content: " << pData->buffer << std::endl;

      // Signal the event to indicate completion (optional if the main thread is waiting)
      SetEvent(pData->overlapped.hEvent);
    }
    return 0;
  }, hCompletionPort, 0, NULL);

  // 9. 等待I/O操作完成 (可选，如果工作线程需要执行其他任务，可以不等待)
  WaitForSingleObject(overlapped_data.overlapped.hEvent, INFINITE);

  // 10. 清理资源
  CloseHandle(hFile);
  CloseHandle(hCompletionPort);
  CloseHandle(overlapped_data.overlapped.hEvent);
  delete[] buffer;
  CloseHandle(hThread);

  return 0;
}

编译运行：

使用 Visual Studio 或其他支持 Windows API 的 C++ 编译器。
创建一个名为 test.txt 的文件，并写入一些内容。
编译并运行程序。

代码解释：

第1步: CreateIoCompletionPort 创建一个完成端口。
第2步: CreateFile 打开要读取的文件，并指定 FILE_FLAG_OVERLAPPED 标志，表示使用异步I/O。
第3步: 将文件句柄与完成端口关联。
第4步: 获取文件的大小，以便分配足够的缓冲区。
第5步: 分配缓冲区。
第6步: 初始化 OVERLAPPED 结构体。
第7步: 使用 ReadFile 发起异步读取操作。注意，由于是异步操作，ReadFile 可能会立即返回 FALSE，并且 GetLastError 返回 ERROR_IO_PENDING，表示I/O操作正在进行中。
第8步: 创建一个工作线程，该线程使用 GetQueuedCompletionStatus 从完成端口获取完成通知。当I/O操作完成时，GetQueuedCompletionStatus 会返回，并将完成的字节数、完成键和 OVERLAPPED 结构体的指针传递给工作线程。
第9步: 等待I/O操作完成 (可选). 使用 WaitForSingleObject 等待overlapped_data.overlapped.hEvent事件被设置，表明异步操作完成。
第10步: 释放资源。

3.4 IOCP 的优势

高效性: 通过内核级事件通知和线程池管理，实现了高效的异步I/O。
可扩展性: 可以处理大量的并发I/O请求。
集成性: 与Windows操作系统的其他组件（例如网络编程）集成良好。

4. io_uring vs IOCP: 比较和选择

特性	`io_uring` (Linux)	`IOCP` (Windows)
操作系统	Linux	Windows
接口类型	系统调用	API
实现方式	共享队列	完成端口
性能	通常更高	高
易用性	相对复杂	相对复杂
适用场景	高性能服务器	高并发应用程序

选择建议：

如果你的应用程序需要在Linux平台上运行，那么 io_uring 是一个不错的选择，特别是对于对性能要求非常高的场景。
如果你的应用程序需要在Windows平台上运行，那么 IOCP 是首选的异步I/O机制。

5. 高性能异步I/O的设计考虑

缓冲区管理: 合理管理缓冲区，避免频繁的内存分配和释放。可以使用对象池或预分配缓冲区。
错误处理: 正确处理I/O操作可能发生的错误，例如文件不存在、权限不足等。
并发控制: 使用适当的并发控制机制（例如互斥锁、信号量），避免数据竞争和死锁。
线程池管理: 合理配置线程池的大小，避免线程过多或过少。
事件循环: 设计一个高效的事件循环，用于监听I/O事件并分发给相应的处理程序。

6. 更进一步：多线程和异步 I/O 的协同

单纯的异步 I/O 只是解决了 I/O 等待的问题，结合多线程才能真正发挥其威力。可以将 I/O 操作的结果处理放在单独的线程池中，避免阻塞事件循环。

示例（伪代码）：

// 事件循环
while (running) {
  // 1. 提交异步 I/O 请求
  AsyncRead(file_handle, buffer, callback);

  // 2. 执行其他任务，不阻塞等待 I/O 完成
  DoSomethingElse();

  // 3. 检查完成队列 (io_uring 的 CQ 或 IOCP 的 GetQueuedCompletionStatus)
  if (HasCompletedIO()) {
    // 获取完成的 I/O 请求
    IOContext context = GetCompletedIO();

    // 将 I/O 结果处理任务提交到线程池
    thread_pool.submit([context]() {
      ProcessIO(context); // 实际处理 I/O 结果的函数
    });
  }
}

在这种模式下，主线程负责提交异步 I/O 请求和执行其他任务，I/O 结果的处理则交给线程池中的线程来完成。这样可以充分利用多核 CPU 的优势，提高系统的整体性能。

异步I/O的潜力无限

io_uring和IOCP都是强大的异步I/O技术，它们可以显著提高应用程序的性能和吞吐量。理解它们的工作原理，并灵活运用它们，可以构建出高性能、可扩展的应用程序。选择哪种技术取决于你的目标平台和具体的应用场景。结合多线程，充分利用CPU资源是提高性能的关键。

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