io_submit系统调用及示例

gnawkhhkwang2025-08-04 17:04

io_submit系统调用及示例

1. 函数介绍

在使用 io_setup 创建了异步 I/O 上下文之后，下一步就是向这个上下文提交实际的 I/O 请求。

io_submit 系统调用的作用就是将一个或多个异步 I/O 请求提交到指定的异步 I/O 上下文中 。每个请求都由一个 struct iocb（I/O Control Block）结构体描述，该结构体包含了操作类型（读/写/同步）、文件描述符、缓冲区地址、读写字节数、文件偏移量等所有必需的信息。

提交后，内核会接管这些请求，并在后台（可能使用专门的线程或机制）执行这些 I/O 操作。调用 io_submit 的进程可以立即继续执行，无需等待 I/O 完成。

简单来说，io_submit 就是把写好的"异步任务清单"（iocb 结构体）交给之前创建的"任务管理器"（io_context_t），让它开始执行这些任务。

2. 函数原型

c 复制代码 
// 需要定义宏来启用 AIO 相关定义
#define _GNU_SOURCE
#include <linux/aio_abi.h> // 包含 iocb 等定义
#include <sys/syscall.h>   // 包含系统调用号
#include <unistd.h>        // 包含 syscall 函数

// io_submit 系统调用的实际接口
long syscall(SYS_io_submit, io_context_t ctx_id, long nr, struct iocb **iocbpp);

注意 ：这也是一个底层系统调用，通常需要通过 syscall() 函数调用。

3. 功能

将 nr 个异步 I/O 请求（由 iocbpp 指向的数组描述）提交到由 ctx_id 标识的异步 I/O 上下文中。内核会尝试立即开始处理这些请求。

4. 参数

  • ctx_id :
    • io_context_t 类型。
    • 由 io_setup 返回的、有效的异步 I/O 上下文的标识符。
  • nr :
    • long 类型。
    • 指定要提交的异步 I/O 请求数量。这个值应该与 iocbpp 数组的大小相对应。
  • iocbpp :
    • struct iocb ** 类型。
    • 一个指针数组，数组中的每个元素都指向一个 struct iocb 结构体。struct iocb 描述了一个单独的异步 I/O 请求。
    • 数组的大小至少为 nr。

5. struct iocb 结构体 (关键部分)

这是描述单个异步 I/O 请求的核心结构体。

c 复制代码 
// 简化版，实际定义在 linux/aio_abi.h
struct iocb {
    __u64 aio_data;          // 用户定义的数据，用于匹配请求和完成事件
    __u32 aio_key, aio_reserved1;
    __u16 aio_lio_opcode;    // 操作类型 (IOCB_CMD_PREAD, IOCB_CMD_PWRITE, ...)
    __s16 aio_reqprio;       // 请求优先级 (通常为 0)
    __u32 aio_fildes;        // 文件描述符
    __u64 aio_buf;           // 用户空间缓冲区地址
    __u64 aio_nbytes;        // 传输字节数
    __s64 aio_offset;        // 文件偏移量
    // ... 其他字段用于高级功能
};

关键字段：

  • aio_lio_opcode : 指定操作类型。
    • IOCB_CMD_PREAD: 异步预读（指定偏移量的读取）。
    • IOCB_CMD_PWRITE: 异步预写（指定偏移量的写入）。
    • IOCB_CMD_FSYNC: 异步文件数据和元数据同步。
    • IOCB_CMD_FDSYNC: 异步文件数据同步。
  • aio_fildes: 进行 I/O 操作的目标文件描述符。
  • aio_buf: 用户空间缓冲区的地址（读取时存放数据，写入时提供数据）。
  • aio_nbytes: 要传输（读取或写入）的字节数。
  • aio_offset : 文件中的偏移量（类似 pread/pwrite）。
  • aio_data : 用户自定义数据。当这个请求完成后，对应的完成事件 (io_event) 会包含这个值，方便程序识别是哪个请求完成了。

6. 返回值

  • 成功 : 返回实际成功提交的请求数 （一个非负整数，可能小于或等于 nr）。
  • 失败 : 返回 -1，并设置 errno。如果返回一个 0 到 nr 之间的正数 m，则表示只有数组中前 m 个请求被成功提交，后面的提交失败了。

7. 错误码 (errno)

  • EAGAIN: 资源暂时不可用，例如内核的提交队列已满。
  • EBADF : ctx_id 无效，或者 iocbpp 中某个 iocb 的 aio_fildes 是无效的文件描述符。
  • EINVAL : ctx_id 无效，或者 iocbpp 中某个 iocb 的参数无效（例如 aio_lio_opcode 未知，或 nr 为负数）。
  • ENOMEM: 内存不足。

8. 相似函数或关联函数

  • io_setup : 创建异步 I/O 上下文，是 io_submit 的前置步骤。
  • io_getevents: 用于获取已提交请求的完成状态（事件）。
  • io_cancel: 尝试取消一个已提交但尚未完成的 I/O 请求。
  • struct iocb: 描述单个异步 I/O 请求的结构体。

9. 示例代码

下面的示例演示如何使用 io_setup 创建上下文，然后使用 io_submit 提交异步写入请求。

c 复制代码 
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <linux/aio_abi.h>
#include <sys/syscall.h>

// 封装 io_setup 系统调用
static inline int my_io_setup(unsigned nr_events, io_context_t *ctxp) {
    return syscall(__NR_io_setup, nr_events, ctxp);
}

// 封装 io_destroy 系统调用
static inline int my_io_destroy(io_context_t ctx) {
    return syscall(__NR_io_destroy, ctx);
}

// 封装 io_submit 系统调用
static inline int my_io_submit(io_context_t ctx, long nr, struct iocb **iocbpp) {
    return syscall(__NR_io_submit, ctx, nr, iocbpp);
}

// 辅助函数：初始化一个异步写入的 iocb 结构
void prep_pwrite(struct iocb *iocb, int fd, const void *buf, size_t count, __u64 offset) {
    memset(iocb, 0, sizeof(*iocb)); // 清零结构体
    iocb->aio_lio_opcode = IOCB_CMD_PWRITE; // 设置操作类型为异步写
    iocb->aio_fildes = fd;                 // 设置文件描述符
    iocb->aio_buf = (__u64)(unsigned long)buf; // 设置缓冲区地址
    iocb->aio_nbytes = count;              // 设置写入字节数
    iocb->aio_offset = offset;             // 设置文件偏移量
    iocb->aio_data = (__u64)(unsigned long)buf; // 设置用户数据 (这里用 buf 地址)
}

int main() {
    const char *filename = "io_submit_test_file.txt";
    const int num_writes = 3;
    const size_t chunk_size = 1024;
    int fd;
    io_context_t ctx = 0; // 必须初始化为 0
    struct iocb iocbs[num_writes];
    struct iocb *iocb_ptrs[num_writes];
    char buffers[num_writes][chunk_size];
    int ret, i;

    printf("--- Demonstrating io_submit ---\n");

    // 1. 初始化要写入的数据
    for (i = 0; i < num_writes; ++i) {
        memset(buffers[i], 'A' + i, chunk_size); // Fill with 'A', 'B', 'C'
    }

    // 2. 创建并打开文件
    fd = open(filename, O_CREAT | O_TRUNC | O_WRONLY, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("1. Opened/created file '%s' (fd=%d)\n", filename, fd);

    // 3. 初始化异步 I/O 上下文
    ret = my_io_setup(num_writes, &ctx);
    if (ret < 0) {
        perror("io_setup");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("2. Initialized AIO context (ctx_id=%llu)\n", (unsigned long long)ctx);

    // 4. 准备 I/O 请求 (iocb)
    printf("3. Preparing %d asynchronous write requests...\n", num_writes);
    for (i = 0; i < num_writes; ++i) {
        prep_pwrite(&iocbs[i], fd, buffers[i], chunk_size, i * chunk_size);
        iocb_ptrs[i] = &iocbs[i];
        printf("   Prepared write %d: offset=%zu, size=%zu, data='%c'...\n",
               i+1, i * chunk_size, chunk_size, 'A' + i);
    }

    // 5. 提交 I/O 请求
    printf("4. Submitting %d write requests using io_submit...\n", num_writes);
    ret = my_io_submit(ctx, num_writes, iocb_ptrs);
    if (ret != num_writes) {
        fprintf(stderr, "   io_submit failed: submitted %d requests, expected %d\n", ret, num_writes);
        if (ret < 0) {
            perror("   io_submit error");
        } else {
            printf("   Only the first %d requests were submitted successfully.\n", ret);
        }
        // 清理并退出
        my_io_destroy(ctx);
        close(fd);
        unlink(filename);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("   io_submit succeeded. All %d requests submitted.\n", ret);

    // 6. 注意：此时写入操作可能仍在进行中，我们需要用 io_getevents 来等待完成
    // 这个例子只演示提交，不等待完成。
    printf("5. Note: io_submit returned immediately. The writes are happening in the background.\n");
    printf("   To get the results, you need to call io_getevents().\n");

    // 7. 清理资源 (在真实程序中，你应该在 io_getevents 确认完成后再关闭文件)
    printf("6. Cleaning up resources...\n");
    my_io_destroy(ctx);
    printf("   Destroyed AIO context.\n");
    close(fd);
    printf("   Closed file descriptor.\n");
    unlink(filename); // 删除测试文件
    printf("   Deleted test file '%s'.\n", filename);

    printf("\n--- Summary ---\n");
    printf("1. io_submit(ctx_id, nr, iocb_ptrs) submits 'nr' AIO requests to the context 'ctx_id'.\n");
    printf("2. Each request is described by an 'iocb' struct, pointed to by elements in 'iocb_ptrs'.\n");
    printf("3. It returns the number of requests successfully submitted (may be < nr on partial failure).\n");
    printf("4. It returns immediately; the I/O happens asynchronously in the background.\n");
    printf("5. Use io_getevents() afterwards to check for completion and get results.\n");

    return 0;
}

10. 编译和运行

bash 复制代码 
# 假设代码保存在 io_submit_example.c 中
gcc -o io_submit_example io_submit_example.c

# 运行程序
./io_submit_example

11. 预期输出

复制代码 
--- Demonstrating io_submit ---
1. Opened/created file 'io_submit_test_file.txt' (fd=3)
2. Initialized AIO context (ctx_id=123456789)
3. Preparing 3 asynchronous write requests...
   Prepared write 1: offset=0, size=1024, data='A'...
   Prepared write 2: offset=1024, size=1024, data='B'...
   Prepared write 3: offset=2048, size=1024, data='C'...
4. Submitting 3 write requests using io_submit...
   io_submit succeeded. All 3 requests submitted.
5. Note: io_submit returned immediately. The writes are happening in the background.
   To get the results, you need to call io_getevents().
6. Cleaning up resources...
   Destroyed AIO context.
   Closed file descriptor.
   Deleted test file 'io_submit_test_file.txt'.

--- Summary ---
1. io_submit(ctx_id, nr, iocb_ptrs) submits 'nr' AIO requests to the context 'ctx_id'.
2. Each request is described by an 'iocb' struct, pointed to by elements in 'iocb_ptrs'.
3. It returns the number of requests successfully submitted (may be < nr on partial failure).
4. It returns immediately; the I/O happens asynchronously in the background.
5. Use io_getevents() afterwards to check for completion and get results.
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