在嵌入式Linux中，异步I/O（Asynchronous I/O, AIO）是一种强大的I/O模型，允许进程在等待I/O操作的同时继续执行其他任务。
与I/O多路复用机制（如select和poll）相比，异步I/O通过信号通知机制，使得进程不需要反复查询I/O状态，而是由内核主动向进程发送信号（如SIGIO）来通知I/O状态的变化。
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I/O多路复用与异步I/O的区别
I/O多路复用（select/poll/epoll）
在多路复用机制中，进程使用select、poll或epoll等系统调用来主动查询文件描述符的状态，即等待某个文件描述符变得可读或可写。
这些方法虽然能有效处理多个文件描述符的事件，但本质上仍属于同步I/O，因为进程在发起查询时会被阻塞。
异步I/O（Asynchronous I/O）
在异步I/O中，进程通过注册信号处理函数和设置文件描述符的异步标志，当I/O操作就绪时，内核会自动向进程发送信号（通常是SIGIO信号），不再需要主动轮询状态。
进程在等待I/O时可以继续执行其他任务，收到信号后再执行相应的I/O操作。
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实现异步I/O的步骤
在Linux中，使用异步I/O通常需要配合信号机制。
具体步骤如下：
2.1、设置非阻塞模式
首先，需要将文件描述符设置为非阻塞模式（O_NONBLOCK标志），以便在执行I/O操作时不会阻塞当前进程。
可以通过fcntl系统调用来实现：
int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK);if (fd < 0) {perror("open");return -1;}
2.2、设置异步I/O标志（O_ASYNC）
接下来，需要为文件描述符设置异步I/O标志（O_ASYNC）。该标志用于通知内核，当文件描述符上的I/O操作就绪时向接收进程发送SIGIO信号。
需要使用fcntl系统调用来完成此操作：
int flags = fcntl(fd, F_GETFL); // 获取当前标志flags |= O_ASYNC; // 增加O_ASYNC标志fcntl(fd, F_SETFL, flags); // 设置新的标志
注意：open函数无法直接通过指定O_ASYNC标志来使能异步I/O，因此必须通过fcntl来设置。
2.3、设置异步I/O事件的接收进程
默认情况下，异步I/O事件的接收进程是创建文件描述符的进程。
但如果需要将I/O事件转交给其他进程，可以使用fcntl函数设置文件描述符的“所有者”，也就是指定哪个进程应当接收I/O事件的通知信号：
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 设置当前进程为异步I/O事件的接收进程2.4、注册SIGIO信号处理函数
最后，为SIGIO信号注册信号处理函数。可以使用signal或sigaction函数为SIGIO信号注册一个处理函数。
当文件描述符上有I/O操作就绪时，内核会向接收进程发送SIGIO信号，触发信号处理函数的执行。
以下是信号处理函数的注册示例：
void sigio_handler(int signum) {// 执行I/O操作char buffer[1024];ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));if (bytes_read > 0) {buffer[bytes_read] = '\0';printf("异步读取的数据：%s\n", buffer);}}int main() {// 注册SIGIO信号处理函数signal(SIGIO, sigio_handler);// 设置文件描述符的非阻塞模式和异步模式int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}// 使能异步I/Oint flags = fcntl(fd, F_GETFL);flags |= O_ASYNC;fcntl(fd, F_SETFL, flags);// 设置异步I/O事件的接收进程fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());// 主程序可以执行其他任务while (1) {printf("主进程在执行其他任务...\n");sleep(1);}close(fd);return 0;}
说明：
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O_ASYNC标志的作用和注意事项
O_ASYNC标志用于使能文件描述符的异步I/O事件，使文件描述符在可执行I/O操作时向指定进程发送SIGIO信号。
需要注意以下几点：
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异步I/O的应用场景
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异步I/O的缺陷与优化
默认异步I/O信号SIGIO的局限
默认情况下，异步I/O使用非实时信号SIGIO作为通知信号。由于SIGIO是非实时信号，不支持信号排队机制，可能导致多个通知丢失。
例如：
这种缺陷会导致进程无法及时响应I/O事件，影响应用程序的实时性。
无法得知具体的事件类型
在默认的异步I/O信号处理函数中，进程无法直接获取文件描述符上具体的事件类型（如可读、可写、错误等），通常只能盲目地尝试执行I/O操作。
为此，我们可以利用实时信号来提供更精确的事件信息，并通过结构体siginfo_t的扩展字段来识别事件类型。
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优化方法：使用实时信号替换默认信号
通过将SIGIO替换为实时信号（如SIGRTMIN），可以实现信号的排队机制，从而确保多次I/O事件通知不会被丢失。步骤如下：
6.1、设置实时信号作为异步I/O通知信号
使用fcntl函数的F_SETSIG命令，将实时信号（如SIGRTMIN）替换默认信号SIGIO：
fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN); // 将SIGRTMIN设为fd的异步I/O通知信号如果参数设置为0，则将恢复为默认的SIGIO信号。
6.2、使用sigaction注册信号处理函数
使用sigaction函数替代signal函数，以便支持更高级的信号处理方式。
通过为sa_flags设置SA_SIGINFO标志，我们可以在信号处理函数中使用扩展参数siginfo_t来获取更多事件信息：
void sigio_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context) {if (info->si_signo == SIGRTMIN) { // 确认信号是SIGRTMINint fd = info->si_fd; // 获取发生事件的文件描述符int event = info->si_code; // 获取事件类型// 根据事件类型进行不同的处理if (event == POLL_IN) { // 可读取数据// 执行读操作} else if (event == POLL_OUT) { // 可写入数据// 执行写操作} else if (event == POLL_ERR) { // I/O错误// 错误处理}}}int main() {struct sigaction sa;sa.sa_flags = SA_SIGINFO; // 使用sa_sigaction处理函数sa.sa_sigaction = sigio_handler; // 注册信号处理函数sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL); // 绑定SIGRTMIN信号// 设置文件描述符的异步I/O标志int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK);int flags = fcntl(fd, F_GETFL);flags |= O_ASYNC;fcntl(fd, F_SETFL, flags);// 设置异步I/O事件的接收进程及信号fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN); // 指定实时信号SIGRTMIN// 主程序继续执行while (1) {sleep(1);}close(fd);return 0;}
6.3、利用siginfo_t的扩展字段获取事件详情
在实时信号的信号处理函数中，siginfo_t结构体的si_code和si_band字段可以帮助识别发生的事件类型，如下：
例如：
通过这些扩展字段，可以在信号处理函数中更灵活地执行不同的I/O操作，避免盲目调用read或write操作，从而进一步提升性能和可靠性。
通过实时信号优化异步I/O，可以有效解决通知丢失及事件类型不足的问题，使异步I/O在文件描述符多且并发高的场景下性能更加稳定和可靠。
配合siginfo_t的扩展信息，信号处理函数可以更加精准地响应I/O事件。
在应用开发中，可以根据文件描述符的数量、实时性要求、CPU资源占用等因素，综合考虑使用异步I/O或epoll来构建高效的I/O处理框架。
