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如何使用io_uring构建快速响应的I/O密集型应用？

2023-08-30 15:20 由 华为云开发者联盟 发表于 #软件工程

本文分享自华为云社区《如何使用io_uring构建快速响应的I/O密集型应用》，作者： Lion Long 。

当涉及构建快速响应的I/O密集型应用时，io_uring技术展现出了其卓越的潜力。本文摘要将深入探讨如何充分利用io_uring的特性来优化应用程序性能。通过异步I/O操作和高效事件处理，io_uring为开发人员提供了一种强大工具，能够显著减少I/O等待时间并实现更高的吞吐量。

一、同步与异步

用于形容两者的关系，是同时存在的参考物。

同步： 所谓同步，就是发起一个请求时，在返回结果前，该调用不会返回。类似串行的概念。

异步： 异步的概念和同步相对，当发起一个请求时，该调用立刻返回，不等待结果，实际返回的结果由另外的线程 / 进程处理。类似并行的概念。

二、io_uring系统调用

io_uring从linix 5.1内核开始支持，但是到linix5.10后才达到比较好的支持，所以使用io_uring编程时，最好使用linix 5.10版本之后。升级linux内核可以参考ubuntu升级Linux内核版本_ubuntu 升级内核_Lion Long的博客-CSDN博客。

内核提供三个接口，函数原型：

#include <linux/io_uring.h>

int io_uring_setup(u32 entries,struct io_uring_params *p);

int io_uring_register(unsigned int fd,unsigned int opcode,void *arg,unsigned int nr_args);

int io_uring_entry(unsigned int fd,unsigned int to_submit,

unsigned int min_complete,unsigned int flags,sigset_t *sig);

2.1、io_uring_setup

函数原型：

#include <linux/io_uring.h>

int io_uring_setup(u32 entries,struct io_uring_params *params);

系统调用，设置提交队列（SQ）和完成队列（CQ），其中至少包含entries条目，并返回一个文件描述符，可用于对io_urine实例执行后续操作。SQ和CQ在用户空间和内核之间共享，这减少了在启动和完成I/O时复制数据的消耗。

参数

含义

entries

队列元素个数

params

配置io_uring，向内核传递选项，内核使用params传递有关环形缓冲区的信息。

成功时返回新的文件描述符。然后，应用程序可以在随后的mmap系统调用中提供文件描述符，以映射提交队列（submission queues）和完成队列（completion queues），或者传给io_uring_register() / io_uring_enter()系统调用。

出现错误时，返回负错误代码。调用方不应依赖errno变量。

错误码

含义

EFAULT

参数超出了您的可访问地址空间。

EINVAL

resv数组包含非零数据，p.flags包含非零支持标志，条目超出界限。

EMFILE

已达到每个进程打开文件描述符数量的限制。

ENFILE

已达到系统范围内打开文件总数的限制。

ENOMEM

可用的内核资源不足。

EPERM

已指定IORING_SETUP_SQPOLL，但调用方的有效用户ID没有足够的权限。

2.2、io_uring_register

函数原型：

#include <linux/io_uring.h>

int io_uring_register(unsigned int fd,unsigned int opcode,void *arg,unsigned int nr_args);

注册用于异步 I/O 的文件或用户缓冲区，使内核能长时间持有对该文件在内核内部的数据结构引用， 或创建应用内存的长期映射， 这个操作只会在注册时执行一次，而不是每个 I/O 请求都会处理，因此大大减少了每个IO的开销。

参数

含义

fd

文件描述符 ，是io_uring_setup返回的fd

opcode

操作代码

成功时返回0。

出现错误时，返回负错误代码。调用方不应依赖errno变量。

2.3、io_uring_enter

#include <linux/io_uring.h>

int io_uring_enter(unsigned int fd,unsigned int to_submit,

unsigned int min_complete,unsigned int flags,sigset_t *sig);

这个系统调用使用共享的 SQ 和 CQ初始化和完成（initiate and complete）I/O。

单次调用同时执行：提交新的 I/O 请求；等待 I/O 完成。

参数：

  • fd：io_uring_setup返回的文件描述符。
  • to_submit：指定要从提交队列提交的I/O数。

成功返回使用的I/O数量。如果to_submit为零或提交队列为空，则该值可以为零。注意，如果创建环时指定了IORING_SETUP_SQPOLL，则返回值通常与to_submit相同，因为提交发生在系统调用的上下文之外。

与提交队列条目相关的错误将通过完成队列条目返回，而不是通过系统调用本身返回。

不代表提交队列条目发生的错误将通过系统调用直接返回。在出现这种错误时，返回负错误代码。调用方不应依赖errno变量。

更多信息可以执行 man io_uring_enter查看

2.4、执行流程

三、io_uring相关结构体

3.1、struct io_uring_params 结构体

struct io_uring_params {

__u32 sq_entries;

__u32 cq_entries;

__u32 flags;

__u32 sq_thread_cpu;

__u32 sq_thread_idle;

__u32 features;

__u32 wq_fd;

__u32 resv[3];

struct io_sqring_offsets sq_off;

struct io_cqring_offsets cq_off;

};

flags、sq_thread_cpu和sq_ thread_idle字段用于配置io_uring实例。flags是一个位掩码，其中0个或多个以下值一起或：

标志

含义

IORING_SETUP_IOPOLL

执行繁忙等待I/O完成，而不是获取通过异步IRQ（中断请求）发送通知。

IORING_SETUP_SQPOLL

创建一个内核线程来执行提交队列轮询

IORING_SETUP_SQ_AFF

轮询线程将绑定到结构io_uring_params的sq_thread_cpu字段中设置的cpu。

IORING_SETUP_CQSIZE

使用struct io_uring_params创建完成队列

IORING_SETUP_CLAMP

如果指定了此标志，并且如果条目超过IORING_MAX_ENTERIES，则条目将被钳制在IORING_MAX_ENTERIES。如果设置了标志IORING _SETUP_SQPOLL，并且如果struct io_uring_params的值cq_entries超过IORING_MAX_ENTERIES，则它将被箝位在IORING_MAX_ENTERIES。

IORING_SETUP_ATTACH_WQ

此标志应与struct io_uring_params一起设置

IORING_SETUP_R_DISABLED

如果指定了该标志，io_uring环将以禁用状态启动。

3.2、struct io_cqring_offsets 结构体

struct io_cqring_offsets {

__u32 head;

__u32 tail;

__u32 ring_mask;

__u32 ring_entries;

__u32 overflow;

__u32 cqes;

__u32 flags;

__u32 resv[3];

};

3.3、struct io_uring_sqe 结构体

struct io_uring_sqe {

__u8 opcode; /* type of operation for this sqe */

__u8 flags; /* IOSQE_ flags */

__u16 ioprio; /* ioprio for the request */

__s32 fd; /* file descriptor to do IO on */

union {

__u64 off; /* offset into file */

__u64 addr2;

};

union {

__u64 addr; /* pointer to buffer or iovecs */

__u64 splice_off_in;

}

__u32 len; /* buffer size or number of iovecs */

union {

__kernel_rwf_t rw_flags;

__u32 fsync_flags;

__u16 poll_events; /* compatibility */

__u32 poll32_events; /* word-reversed for BE */

__u32 sync_range_flags;

__u32 msg_flags;

__u32 timeout_flags;

__u32 accept_flags;

__u32 cancel_flags;

__u32 open_flags;

__u32 statx_flags;

__u32 fadvise_advice;

__u32 splice_flags;

__u32 rename_flags;

__u32 unlink_flags;

__u32 hardlink_flags;

};

__u64 user_data; /* data to be passed back at completion time */

union {

struct {

/* index into fixed buffers, if used */

union {

/* index into fixed buffers, if used */

__u16 buf_index;

/* for grouped buffer selection */

__u16 buf_group;

}

/* personality to use, if used */

__u16 personality;

union {

__s32 splice_fd_in;

__u32 file_index;

};

};

__u64 __pad2[3];

};

};

3.4、struct io_uring_cqe 结构体

struct io_uring_cqe {

__u64 user_data; /* sqe->data submission passed back */

__s32 res; /* result code for this event */

__u32 flags;

};

四、liburing库安装

（1）下载源码。

git clone https://github.com/axboe/liburing.git

（2）进入liburing。

cd liburing

（3）配置。

./configure

（4）编译和安装。

make && sudo make install

（5）编译应用程序，一定要指定库 -luring -D_GUN_SOURCE。

gcc -o io_uring_test io_uring_test.c -luring -D_GUN_SOURCE

五、liburing提供的接口

5.1、io_uring_queue_init_params

函数原型：

#include <liburing.h>

int io_uring_queue_init(unsigned entries,

struct io_uring *ring,

unsigned flags);

int io_uring_queue_init_params(unsigned entries,

struct io_uring *ring,

struct io_uring_params *params);

io_uring_queue_init()函数执行io_uring_setup()系统调用来初始化内核中的提交队列和完成队列，其中至少包含提交队列中的条目，然后将生成的文件描述符映射到应用程序和内核之间共享的内存中。

默认情况下，CQ环的条目数将是SQ环条目指定的条目数的两倍。这对于常规文件或存储工作负载足够，但对于网络工作负载可能太小。SQ环条目并没有限制环可以支持的进程中请求的数量，它只是限制了一次（批）提交给内核的数量。如果CQ环溢出，例如，在应用程序可以获取它们之前，生成的条目比环中的条目多，则环进入CQ环溢流状态。这通过在SQ环标志中设置IORING_SQ_CQ_OVERFLOW来指示。除非内核耗尽可用内存，否则不会删除条目，但这是一条慢得多的完成路径，会减慢请求处理速度。因此，应该避免这种情况，并且CQ环的大小适合于工作负载。在struct io_uring_params中设置cq_entries将告诉内核为cq环分配这么多条目，与给定条目中的SQ环大小无关。如果该值不是2的幂，则将四舍五入到最接近的2的幂。

成功时，io_uring_queue_init返回0，ring将指向包含io_RUING队列的共享内存。失败时返回-errno。flags将传递给io_uring_setup系统调用。

如果使用io_uring_queue_init_params()，则params指示的参数将直接传递到io_uring_setup系统调用。成功后返回0，应通过对io_uring_queue_exit的相应调用释放ring持有的资源。失败时返回-errno。

5.2、io_uring_get_sqe

函数原型：

#include <liburing.h>

struct io_uring_sqe *io_uring_get_sqe(struct io_uring *ring);
  • 从属于ring参数的提交队列中获取下一个可用的提交队列条目。
  • 成功时返回一个指向提交队列条目的指针。
  • 失败时返回NULL。

如果返回了提交队列条目，则应通过io_uring_prep_read()等准备函数之一填写该条目，并通过io_ uring_submit()提交。

如果返回NULL，则SQ环当前已满，必须提交条目进行处理，然后才能分配新条目。

5.3、io_uring_prep_accept

函数原型：

#include <sys/socket.h>

#include <liburing.h>

void io_uring_prep_accept(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

struct sockaddr *addr,

socklen_t *addrlen,

int flags);

void io_uring_prep_accept_direct(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

struct sockaddr *addr,

socklen_t *addrlen,

int flags,

unsigned int file_index);

void io_uring_prep_multishot_accept(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

struct sockaddr *addr,

socklen_t *addrlen,

int flags);

void io_uring_prep_multishot_accept_direct(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

struct sockaddr *addr,

socklen_t *addrlen,

int flags);

这些函数准备一个异步accept()请求。

io_uring_prep_accept()函数准备接受请求。提交队列条目sqe被设置为使用文件描述符sockfd开始接受由addr处的套接字地址和结构长度addrlen描述的连接请求，并在标志中使用修饰符标志。

注意：io_uring_prep_accept()与在结构中传递数据的任何请求一样，在成功提交请求之前，该数据必须保持有效。它不需要在完成之前保持有效。一旦请求被提交，内核状态就稳定了。

5.4、io_uring_prep_recv

函数原型：

#include <liburing.h>

void io_uring_prep_recv(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

void *buf,

size_t len,

int flags);

void io_uring_prep_recv_multishot(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

void *buf,

size_t len,

int flags);

描述：

io_uring_prep_recv()函数准备recv请求。提交队列条目sqe被设置为使用文件描述符sockfd来开始将数据接收到大小为size且具有修改标志flags的缓冲区目的地buf中。

此函数用于准备异步recv()请求。

multishot版本允许应用程序发出单个接收请求，当数据可用时，该请求会重复发布CQI。

5.5、io_uring_prep_send

函数原型：

#include <liburing.h>

void io_uring_prep_send(struct io_uring_sqe *sqe,

int sockfd,

const void *buf,

size_t len,

int flags);

描述：

io_uring_prep_send()函数准备发送请求。提交队列条目sqe被设置为使用文件描述符sockfd开始从buf发送大小为size的数据，并带有修改标志flags。

此函数用于准备异步send()请求。

5.6、io_uring_submit (重要)

函数原型：

#include <liburing.h>

int io_uring_submit(struct io_uring *ring);

描述：

  • 将下一个事件提交到属于ring的提交队列。
  • 调用者使用io_uring_get_sqe(）检索提交队列条目（SQE）并使用提供的帮助程序之一准备SQE后，可以使用io_ uring_ submit()提交。

返回值：

  • 成功时返回提交的提交队列条目数。
  • 失败时返回-errno。

5.7、io_uring_submit_and_wait (重要)

函数原型：

#include <liburing.h>

int io_uring_submit_and_wait(struct io_uring *ring,unsigned wait_nr);

描述：

  • 将下一个事件提交到属于环的提交队列，并等待wait_nr完成事件。
  • 在调用方使用io_uring_get_sqe(）检索提交队列条目（SQE）并准备SQE之后，可以使用io_ uring_ submit_and_wait()提交它。

返回值：

  • 成功时返回提交的提交队列条目数。
  • 失败时返回-errno。

5.8、io_uring_wait_cqe

函数原型：

#include <liburing.h>

int io_uring_wait_cqe(struct io_uring *ring,

struct io_uring_cqe **cqe_ptr);

描述：

  • 等待来自属于环参数的队列的io完成，必要时等待。如果调用时环中已有事件可用，则不会发生等待。成功时填写cqe_ptr参数。
  • 在呼叫者提交了具有io_uring_submit()的请求之后，应用程序可以使用io_uring_wait_cqe检索完成。

返回值：

  • 成功时返回0，并填写cqe_ptr参数。失败时返回-errno。返回值指示等待CQE的结果，并且与CQE结果本身无关。

5.9、io_uring_peek_batch_cqe

#include <liburing.h>

int io_uring_peek_cqe(struct io_uring *ring,

struct io_uring_cqe **cqe_ptr);



int io_uring_peek_batch_cqe(struct io_uring *ring,

struct io_uring_cqe **cqe_ptr,

int count);

描述：

  • io_uring_peek_cqe()函数从属于ring参数的队列返回IO完成（如果有）。成功返回后，cqe_ptr参数将填充有效的cqe条目。
  • 此函数不进入内核等待事件，只有在CQ环中已经可用时才返回事件。
  • io_uring_peek_batch_cqe是对io_uring_peek_cqe的封装，表示一次最多从ring参数获取count个IO完成。

返回值：

  • 成功时io_uring_peek_cqe()返回0，并填写cqe_ptr参数。
  • 失败时返回-EAGAIN。
  • 成功时io_uring_peek_cqe()返回IO完成数量，并填写cqe_ptr参数。
  • 失败时返回-EAGAIN。

5.10、io_uring_cq_advance

#include <liburing.h>

void io_uring_cq_advance(struct io_uring *ring,

unsigned nr);

描述：

io_uring_cq_advance()函数将属于ring参数的nr个io完成标记为消耗。

在呼叫者已经使用io_uring_submit()提交请求之后，应用程序可以使用io_ uring_ wait_cqe()、io_uring_peek_cqe()或任何其他cqe检索帮助器检索完成，并使用io_uring_cqe_seen()将其标记为。

函数io_uring_cqe_seen()调用io_ uring_cq_advance()函数。

完成必须标记为可见，以便可以重用它们的插槽。否则将导致在下一次调用时返回相同的完成。

5.11、更多接口

除了bind没有异步接口，其他基本都有。比如io_uring_prep_connect()、io_uring_prep_close()等等。

六、基于liburing的TCP服务器实现

在应用层使用io_uring，主要使用liburing库，它提供丰富的用户接口，底层调用的是三个内核io_uring系统调用。

基于liburing的TCP服务器实现示例代码：

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <string.h>

#include <liburing.h>

#define ENTRIES_LENGTH 4096

#define RING_CQE_NUMBER 10

#define BUFFER_SIZE 1024

struct conninfo

{

int connfd;

int type;

};

enum

{

READ,

WRITE,

ACCPT,

};

void set_accept_event(struct io_uring *ring,int fd,

struct sockaddr* clientaddr, socklen_t *len,unsigned flags)

{

struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);//·µ»Ø¶ÓÁÐÊ×µØÖ·

io_uring_prep_accept(sqe, fd, clientaddr, len, flags);

struct conninfo ci = {

.connfd = fd,

.type = ACCPT

};

memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo));

}

void set_read_event(struct io_uring *ring, int fd, void *buf, size_t len, int flags)

{

struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);//·µ»Ø¶ÓÁÐÊ×µØÖ·

io_uring_prep_recv(sqe, fd, buf, len, flags);

struct conninfo ci = {

.connfd = fd,

.type = READ

};

memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo));

}

void set_write_event(struct io_uring *ring, int fd, void *buf, size_t len, int flags)

{

struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);//·µ»Ø¶ÓÁÐÊ×µØÖ·

io_uring_prep_send(sqe, fd, buf, len, flags);

struct conninfo ci = {

.connfd = fd,

.type = WRITE

};

memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo));

}

int main()

{

int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if (listenfd == -1)

return -1;

struct sockaddr_in serveraddr,clientaddr;

serveraddr.sin_family = AF_INET;

serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

serveraddr.sin_port = htons(9999);

if (-1 == bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr)))

return -2;

listen(listenfd, 10);

struct io_uring_params params;

memset(&params,0,sizeof(params));

struct io_uring ring;

io_uring_queue_init_params(ENTRIES_LENGTH,&ring,&params);

socklen_t clientlen = sizeof(clientaddr);



set_accept_event(&ring, listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr,&clientlen, 0);

char buffer[BUFFER_SIZE] = { 0 };

while (1)

{

struct io_uring_cqe *cqe;

io_uring_submit(&ring);

int ret = io_uring_wait_cqe(&ring,&cqe);

struct io_uring_cqe *cqes[RING_CQE_NUMBER];

int cqecount=io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, RING_CQE_NUMBER);

int i = 0;

unsigned count =0;

for (i = 0; i < cqecount; i++)

{

count++;

cqe = cqes[i];

struct conninfo ci;

memcpy(&ci, &cqe->user_data, sizeof(struct conninfo));

if (ci.type == ACCPT)

{

int connfd = cqe->res;



set_read_event(&ring, connfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);



set_accept_event(&ring, listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr,&clientlen, 0);

}

else if (ci.type == READ)

{

int bufsize = cqe->res;

if(bufsize==0)

{

close(ci.connfd);

}

else if(bufsize<0)

{



}

else{

//set_read_event(&ring, ci.connfd, buffer, 1024, 0);

printf("buff: %s\n",buffer);

set_write_event(&ring, ci.connfd, buffer, bufsize, 0);

}

}

else if(ci.type == WRITE)

{

set_read_event(&ring, ci.connfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);

}



}

io_uring_cq_advance(&ring,count);

}

return 0;

}

总结

  1. io_uring主要由三部分构成：内核提供的三个系统调用接口（io_uring_setup、io_uring_register、io_uring_enter），内核实现的系统调用，应用层提供的liburing库。
  2. io_uring_submite会在底层协议栈执行accept、recv、send等功能。从fio测试磁盘IO的测试结果来看，io_uring的IOPS与libaio相同，是psync的两倍。
  3. io_uring的异步操作在内核下完成，用户态调用api是感觉不到异步操作的。
  4. io_uring实现TCP服务器的函数调用框图：

号外！

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