网络编程 io

io_uring

1、概述

io_uring是Linux（内核版本在5.1以后）在2019年加入到内核中的一种新型的异步I/O模型；

io_uring使用共享内存，解决高IOPS场景中的用户态和内核态的切换过程，减少系统调用；用户可以直接向共享内存提交要发起的I/O操作，内核线程可以直接获取共享内存中的I/O操作，并进行相应的读写操作；io_uring是一种proactor模式的网络架构；

Reactor 是非阻塞同步网络模式，感知的是就绪可读写事件。在每次感知到有事件发生（比如可读就绪事件）后，就需要应用进程主动调用 read 方法来完成数据的读取，也就是要应用进程主动将 socket 接收缓存中的数据读到应用进程内存中，这个过程是同步的，读取完数据后应用进程才能处理数据。
Proactor 是异步网络模式，感知的是已完成的读写事件。在发起异步读写请求时，需要传入数据缓冲区的地址（用来存放结果数据）等信息，这样系统内核才可以自动帮我们把数据的读写工作完成，这里的读写工作全程由操作系统来做，并不需要像 Reactor 那样还需要应用进程主动发起 read/write 来读写数据，操作系统完成读写工作后，就会通知应用进程直接处理数据。

优点

避免了提交I/O事件和完成事件中存在的内存拷贝（使用共享内存）
减少的了I/O任务提交和完成事件任务是的系统调用过程
采取无锁队列，减少了锁资源的竞争

主要内存结构

提交队列（Submission Queue，SQ）连续的内存空间，环形队列，存放将要执行的I/O操作数据
完成队列（Completion Queue， CQ）连续的内存空间，环形队列，存放执行完成I/O操作后的返回结果
提交队列项数组提（Submission Queue Entry，SQE）：方便通过环形缓冲区提交内存请求

2、主要接口

io_uring提供三个用户态的系统调用接口

io_uring_setup：初始化一个新的io_uring对象，一个SQ和一个CQ，通过使用共享内存进行数据操作
io_uring_register：注册用于异步I/O的文件或用户缓冲区（buffers）
io_uring_enter：提交I/O任务，等待I/O完成

在这里插入图片描述

SQ和CQ保存的都是SQEs数据的索引，不是真正的请求，真实是请求保存在SQE数组中，在提交请求时可以批量提交一组SQE数值上不连续的请求；

SQ、CQ、SQE中的内存区域都是有内核进行分配的，用户初始化会返回对应的fd，通过fd进行mmap和内核共享内存空间；

3、第三方库

liburing通过对io_uring进行分装，提供了一个简单的API，通过一下命令可以安装该动态库

git clone https://github.com/axboe/liburing.git
cd liburing
./configure
make
sudo make install
sudo ldconfig #更新动态库连接缓存

4、主要使用流程

1. io_uring初始化

io_uring通过io_uring_setup函数初始化，在liburing库中，通过io_uring_queue_init_params函数进行初始化，创建sumbmit队列和complete队列，以及SQE内存数组；

//io_uring实现异步的方式
struct io_uring_params pragma;
memset(&pragma, 0, sizeof(pragma));
struct io_uring ring;
// 初始化io_uring 创建submit队列和complite队列
io_uring_queue_init_params(1024, &ring, &pragma);

2. io_uring 提交（注册）到SQ环形队列

io_uring通过io_uring_register函数提交（注册）到用于异步I/O的缓冲区中，在liburing中通过io_uring_prep_accept函数对io_uring_refister进行封装使用；

// 获取ringbuffer的头
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);
connect_info_t accept_info = {sockfd, EVENT_ACCEPT};
// 注册一个I/O事件
io_uring_prep_accept(sqe, sockfd, (struct sockaddr*)clientaddr, addrlen, flags);
memcpy(&sqe->user_data, &accept_info, sizeof(connect_info_t));

3. io_uring_enter 提交I/O

io_uring中通过io_uring_enter函数来提交I/O，并等待事件的完成；在liburing中通过io_uring_submit来提交SQE的读写请求，io_uring_wait_cqe来等待I/O的处理结果，io_uring_peek_batch_cqe来获取CQ中的处理结果；

 // 提交worker中执行
io_uring_submit(&ring);
struct io_uring_cqe *cqe;
//等待complete队列中的结果
io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
struct io_uring_cqe *cqes[128];
// 获取CQ环形队列中的处理结果
int count = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, 128);

5、实现

io_uring_server.c

#include <liburing.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>

enum event_type {
    EVENT_ACCEPT,
    EVENT_READ,
    EVENT_WRITE
};

typedef struct connect_info{
    int conn_fd;
    int event;
}connect_info_t;

struct conn_info {
	int fd;
	int event;
};

int init_server(unsigned short port) 
{   
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in serveraddr;;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(port);
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) < 0) {
        perror("bind error");
        return -1;
    }

    int opt = 1;
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
        perror("setsockopt");
        return -1;
    }

    listen(sockfd, 10);
    return sockfd; 
}

int set_event_recv(struct io_uring *ring, int sockfd, void *buf, int len, int flags)
{
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);
    connect_info_t accept_info = {sockfd, EVENT_READ};
    io_uring_prep_recv(sqe, sockfd, buf, len, flags);
	memcpy(&sqe->user_data, &accept_info, sizeof(connect_info_t));
    printf("set event recv----\n");
    return 0;
}

int set_event_send(struct io_uring *ring, int sockfd, const void *buf, int len, int flags)
{
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);
    connect_info_t accept_info = {sockfd, EVENT_WRITE};
    io_uring_prep_send(sqe, sockfd, buf, len, flags);
	memcpy(&sqe->user_data, &accept_info, sizeof(connect_info_t));
    printf("set event send----\n");
    return 0;
}

int set_event_accept(struct io_uring *ring, int sockfd, struct sockaddr *clientaddr,
					socklen_t *addrlen, int flags) {

	// 获取sqe
	struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);
	// 初始化accept_info
    connect_info_t accept_info = {sockfd, EVENT_ACCEPT};
	// 准备accept操作
	io_uring_prep_accept(sqe, sockfd, (struct sockaddr*)clientaddr, addrlen, flags);
	// 设置用户数据
	memcpy(&sqe->user_data, &accept_info, sizeof(connect_info_t));
    printf("set event accept\n");
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 初始化服务器
    unsigned short port = 9999;
    // 初始化服务器
    int socketfd = init_server(port);
    if (socketfd < 0)
        return -1;
    //io_uring实现异步的方式
    struct io_uring_params pragma;
    // 初始化io_uring 创建submit队列和complite队列
    memset(&pragma, 0, sizeof(pragma));
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init_params(1024, &ring, &pragma);

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
    // 提交到submit队列中
    set_event_accept(&ring, socketfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &addrlen, 0);

    char buffer[1024] = {0};

    while (1)
    {
        // 提交worker中执行
        io_uring_submit(&ring);
        printf("complete\n");
        struct io_uring_cqe *cqe;
        //等待complete队列中的结果
        io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
        printf("complete end\n");

        struct io_uring_cqe *cqes[128];
        int count = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, 128);

        for (int i = 0; i < count; i++)
        {
            struct io_uring_cqe *entries = cqes[i];
            connect_info_t result;
            //struct conn_info result;
	        memcpy(&result, &entries->user_data, sizeof(connect_info_t));
            if (result.event == EVENT_ACCEPT) 
            {
                // 设置读事件
                set_event_accept(&ring, socketfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &addrlen, 0);
                printf("accept success\n");
                int conn_fd = entries->res;
                printf("conn_fd = %d  res = %d\n", conn_fd, entries->res);
                // 设置读事件
                set_event_recv(&ring, conn_fd, buffer, 1024,0);
            }
            else if (result.event == EVENT_READ)
            {
                int ret = entries->res;
                printf("set_event_recv ret: %d, %s\n", ret, buffer);

                if (ret == 0)
                {
                    close(result.conn_fd);
                    continue;
                }
                else if (ret > 0)
                {
                    // 设置写事件
                    set_event_send(&ring, result.conn_fd, buffer, ret,0);
                }
                printf("read success\n");
            }
            else if (result.event == EVENT_WRITE)
            {
                int ret = entries->res;
                set_event_recv(&ring, result.conn_fd, buffer, 1024,0);
                printf("write success\n");
            }
        }
        io_uring_cq_advance(&ring, count);
    }
    
    return 0;
}

io_uring_test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define TIMESUB_MS(tv1, tv2)  (((tv2).tv_sec - (tv1).tv_sec) * 1000 + ((tv2).tv_usec - (tv1).tv_usec) / 1000)
#define TEST_MESSAGE   "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwxyz\r\n"
#define RBUFFER_LENGTH 2048
#define WBUFFER_LENGTH 2048

typedef struct test_conttext
{
    char server_ip[16];
    int server_port;
    int thread_num;
    int connection_num;
    int request_num;
    int fail_num;
} test_conttext_t;

int send_recv_tcp(int sockfd)
{
    char wbuffer[WBUFFER_LENGTH];
    char rbuffer[RBUFFER_LENGTH];
    memset(wbuffer, 0, sizeof(wbuffer));
    memset(rbuffer, 0, sizeof(rbuffer));
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        strcpy(wbuffer + i * strlen(TEST_MESSAGE), TEST_MESSAGE);
    }

    int res = send(sockfd, wbuffer, strlen(wbuffer), 0);
    if (res <= 0)
    {
        return -1;
    }

    res = recv(sockfd, rbuffer, sizeof(rbuffer), 0);
    if (res <= 0)
    {
        return -1;
    }

    if (strcmp(rbuffer, wbuffer) != 0)
    {
        printf("failed: '%s' != '%s'\n", rbuffer, wbuffer);
        return -1;
    }
    return 0;
}

int connect_tcpserver(char *ip, int port)
{
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        return -1;
    }
   
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(port);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0)
    {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    return sockfd;
}

static void *test_qps(void *arg)
{
    test_conttext_t *ctx = (test_conttext_t *)arg;
    int sockfd = connect_tcpserver(ctx->server_ip, ctx->server_port);
    if (sockfd < 0)
    {
        printf("connect server failed\n");
        return NULL;
    }
    int conut = ctx->request_num / ctx->connection_num;
    int indx = 0;
    int res;
    while (indx++ < conut)
    {
        res = send_recv_tcp(sockfd);
        if (res < 0)
        {
            printf("send_recv_tcp failed\n");
            ctx->fail_num++;
            continue;
        }
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    printf("----%d\n", argc);
    // for (i = 1; i < argc; i++)
    //     printf("%s\n", argv[i]);
    
    test_conttext_t ctx = {0};
    int opt;
    while ((opt = getopt(argc, argv, "s:p:t:c:n:")) != -1)
    {
        switch (opt)
        {
        case 's':
            strcpy(ctx.server_ip, optarg);
            printf("-s: %s\n", optarg);
            break;
        case 'p':
            ctx.server_port = atoi(optarg);
            printf("-p: %s\n", optarg);
            break;
        case 't':
            ctx.thread_num = atoi(optarg);
            printf("-t: %s\n", optarg);
            break;
        case 'c':
            ctx.connection_num = atoi(optarg);
            printf("-c: %s\n", optarg);
            break;
        case 'n':
            ctx.request_num = atoi(optarg);
            printf("-n: %s\n", optarg);
            break;
        default:
            return 
                EXIT_FAILURE;
        }
    }

    pthread_t *threads = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * ctx.thread_num);
    struct timeval start, end;
    gettimeofday(&start, NULL);
    for (i = 0; i < ctx.thread_num; i++)
    {
        printf("thread %d pthread_create\n", i);
        pthread_create(&threads[i], NULL, test_qps, &ctx);
    }
    for (i = 0; i < ctx.thread_num; i++)
    {
        pthread_join(threads[i], NULL);
        printf("thread %d finished\n", i);
    }
    gettimeofday(&end, NULL);
    int time_used = TIMESUB_MS(start, end);
    printf("success :%d, failed:%d,  time used: %d , qps %d\n", 
        ctx.request_num-ctx.fail_num, ctx.fail_num, time_used, ctx.request_num * 1000 / time_used);
    free(threads);
    return EXIT_SUCCESS;
}