一文图解原理｜Linux I/O 神器之 io_uring

io_uring 是 Linux 于 2019 年加入到内核的一种新型异步 I/O 模型，io_uring 主要为了解决 原生AIO（Native AIO） 存在的一些不足之处。下面介绍一下原生 AIO 的不足之处：

• 系统调用开销大 ：提交 I/O 操作和获取 I/O 操作的结果都需要通过系统调用完成，而触发系统调用时，需求进行上下文切换。在高 IOPS（Input/Output Per Second）的情况下，进行上下文切换也会消耗大量的CPU时间。
• 仅支持 Direct I/O（直接I/O） ：在使用原生 AIO 的时候，只能指定 O_DIRECT 标识位（直接 I/O），不能借助文件系统的页缓存（page cache）来缓存当前的 I/O 请求。
• 对数据有大小对齐限制 ：所有写操作的数据大小必须是文件系统块大小（一般为4KB）的倍数，而且要与内存页大小对齐。
• 数据拷贝开销大 ：每个 I/O 提交需要拷贝 64+8 字节，每个 I/O 完成结果需要拷贝 32 字节，总共 104 字节的拷贝。这个拷贝开销是否可以承受，和单次 I/O 大小有关：如果需要发送的 I/O 本身就很大，相较之下，这点消耗可以忽略。而在大量小 I/O 的场景下，这样的拷贝影响比较大。

鉴于原生 AIO 存在这么多不足之处，于是乎 Jens Axboe（io_uring 作者）就开发出一套全新的异步 I/O 接口来解决这些问题。

既然 io_uring 这么优秀，我们就来学习一下其先进思想吧！下面将会介绍 io_uring 的原理。io_uring 的出现就是为了解决上面的问题，我们来看看 io_uring 是怎么处理的。

1. 减少系统调用

由于调用系统调用时，会从用户态切换到内核态，从而进行上下文切换，而上下文切换会消耗一定的 CPU 时间。

使用 read() 和 write() 等系统调用进行 I/O 操作时，会从用户态嵌入到内核态，如下图所示：

io_uring 为了减少或者摒弃系统调用，采用了用户态与内核态 共享内存 的方式来通信。如下图所示：

用户进程可以向 共享内存 提交要发起的 I/O 操作，而内核线程可以从 共享内存 中读取 I/O 操作，并且进行相关的 I/O 操作。

用户态对共享内存进行读写操作是不需要使用系统调用的，所以不会发生上下文切换的情况。

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2. 提交队列与完成队列

前面介绍过，io_uring 通过用户态与内核态共享内存的方式，来免去了使用系统调用发起 I/O 操作的过程。

io_uring 主要创建了 3 块共享内存：

• 提交队列（Submission Queue, SQ） ：一整块连续的内存空间存储的环形队列，用于存放将执行 I/O 操作的数据（指向提交队列项数组的索引）。
• 完成队列（Completion Queue, CQ） ：一整块连续的内存空间存储的环形队列，用于存放 I/O 操作完成后返回的结果。
• 提交队列项数组（Submission Queue Entry，SQE） ：提交队列中的一项。

它们之间的关系如下图所示：

提交队列

在内核中，使用 io_sq_ring 结构来表示 提交队列，其定义如下：

struct io_sq_ring {
    struct io_uring {
        u32 head;
        u32 tail;
    }                   r;             // 使用head和tail指针来模拟环形操作
    ...
    u32                 ring_entries;  // 队列中的提交项总数
    ...
    u32                 flags;
    u32                 array[];       // 环形队列数组（指向提交队列项数组的索引）
};

io_sq_ring 结构各个字段的含义如下：

• head ：环形队列的头指针。
• tail ：环形队列的尾指针。
• ring_entries ：队列中已存在的 I/O 操作项总数。
• array ：环形队列数组，指向提交队列项数组的索引。

io_sq_ring 的结构图如下所示：

内核会将 io_sq_ring 结构映射到应用程序的内存空间，这样应用程序与内核都能操作 io_sq_ring 结构。应用程序可以直接向 io_sq_ring 结构的环形队列中提交 I/O 操作，而不用通过系统调用来提交，从而避免了上下文切换的发生。

而内核线程可以通过从 io_sq_ring 结构的环形队列中获取到要进行的 I/O 操作，并且发起 I/O 请求。

提交队列项

从上面的分析可知，io_sq_ring 结构 array 字段只是一个整形类型的数组，用于存储指向 提交队列项数组 的的索引。在内核中，提交队列项 使用 io_uring_sqe 结构表示，其定义如下：

struct io_uring_sqe {
    __u8    opcode;     /* type of operation for this sqe */
    ...
    __u16   ioprio;     /* ioprio for the request */
    __s32   fd;         /* file descriptor to do IO on */
    __u64   off;        /* offset into file */
    __u64   addr;       /* pointer to buffer or iovecs */
    __u32   len;        /* buffer size or number of iovecs */
    ...
};

下面介绍一下 io_uring_sqe 结构各个字段的作用：

• opcode ：I/O 操作码，主要用于表示当前的 I/O 操作是什么类型，如读、写或者同步等。
• ioprio ：I/O 操作的优先级，可以通过此字段来把一些重要的 I/O 操作提前执行。
• fd ：I/O 操作对应的文件句柄。
• off ：当前 I/O 操作的偏移量。
• addr ：用于指向当前 I/O 操作所关联的内存地址。如写操作，指向的是要写入到文件的内容的内存地址。
• len ：表示当前 I/O 操作的数据长度。

当用户调用 io_uring_setup() 系统调用创建一个 io_ring 对象时，内核将会创建一个类型为 io_uring_sqe 结构的数组。内核也会将此数组映射到应用程序的内存空间，这样应用程序就可以直接操作这个数组。

应用程序提交 I/O 操作时，先要从 提交队列项数组 中获取一个空闲的项，然后向此项填充数据（如 I/O 操作码、要进行 I/O 操作的文件句柄等），然后将此项在 提交队列项数组 的索引写入 提交队列 中。

liburing 代码库已经把这些繁琐的操作封装成友好的 API，用户只需要直接调用这些 API 来进行操作即可。

关于 liburing 代码库的使用，可以参考其使用手册，本文不作详细介绍。

完成队列

当内核完成 I/O 操作后，会将 I/O 操作的结果保存到 完成队列 中。内核使用 io_cq_ring 结构来表示，其定义如下：

struct io_cq_ring {
    struct io_uring {
        u32 head;
        u32 tail;
    };
    ...
    u32                 ring_entries;
    ...
    struct io_uring_cqe cqes[];
};
 
struct io_uring_cqe {
    __u64   user_data;  // 指向 I/O 操作返回的数据
    __s32   res;        // I/O 操作的结果
    ...
};

完成队列 与 提交队列 类似，也是一个环形队列。下面介绍一下 io_cq_ring 结构各个字段的作用：

• head ：环形队列的头指针。
• tail ：环形队列的尾指针。
• ring_entries ：已完成的 I/O 操作总数。
• cqes ：用于保存 I/O 操作结果的环形队列数组，其元素类型为 io_uring_cqe 结构。

io_cq_ring 的结构图如下所示：

内核也会将 完成队列 映射到应用程序的内存空间，这样应用程序就可以通过读取完成队列来获取 I/O 操作的结果。而不用通过使用系统调用来获取，从而避免了不必要的上下文切换。

3. SQ 线程

前面介绍了 io_uring 怎么通过共享 提交队列 和 完成队列 来避免不必要的系统调用，但应用程序将 I/O 操作提交到 提交队列 后，内核什么时候从 提交队列 中获取要进行的 I/O 操作，并且发起 I/O 请求呢？

当用户使用 SQPOLL 模式（指定了 IORING_SETUP_SQPOLL 标志）创建 io_uring 时，内核将会创建一个名为 io_uring-sq 的内核线程（称为 SQ 线程），此内核线程会不断从 提交队列 中读取 I/O 操作，并且发起 I/O 请求。

当 I/O 请求完成以后，SQ 线程将会把 I/O 操作的结果写入到 完成队列 中，应用程序就可以从 完成队列 中读取 I/O 操作的结果。

如下图所示：

我们简单总结下 io_uring 的操作步骤：

• 第一步 ：应用程序通过向 io_uring 的 提交队列 提交 I/O 操作。
• 第二步 ：SQ内核线程从 提交队列 中读取 I/O 操作。
• 第三步 ：SQ内核线程发起 I/O 请求。
• 第四步 ：I/O 请求完成后，SQ内核线程会将 I/O 请求的结果写入到 io_uring 的 完成队列 中。
• 第五步 ：应用程序可以通过从 完成队列 中读取到 I/O 操作的结果。

4. 总结

io_uring 主要通过用户态与内核态共享内存的途径，来摒弃使用系统调用来提交 I/O 操作和获取 I/O 操作的结果，从而避免了上下文切换的情况。另外，由于用户态进程与内核态线程通过共享内存的方式通信，从而避免了内存拷贝的过程，提升了 I/O 操作的性能。

所以，io_uring 主要通过两个优化点来提升 I/O 操作的性能：

• 摒弃使用系统调用来提交 I/O 操作和获取 I/O 操作结果。
• 减少用户态与内核态之间的内存拷贝。