C++ io_uring的使用小结
<div id="navCategory"><h5 class="catalogue">目录</h5><ul class="first_class_ul"><li>1. 为什么我们需要 io_uring？</li><li>2. io_uring 的核心原理：环形缓冲区 (Ring Buffer)</li><li>3. C++ 中使用 io_uring (liburing)</li><ul class="second_class_ul"><li>前置准备</li><li>完整代码示例</li><li>代码编译</li></ul><li>4. io_uring 的高级特性</li><ul class="second_class_ul"><li>A. Submission Queue Polling (SQPOLL)</li><li>B. 注册文件和缓冲区 (Registered Files/Buffers)</li><li>C. 链接请求 (IOSQE_IO_LINK)</li></ul><li>5. C++ 生态中的 io_uring</li><ul class="second_class_ul"></ul><li>6. io_uring vs Epoll 性能对比</li><ul class="second_class_ul"></ul><li>7. 总结</li><ul class="second_class_ul"></ul></ul></div><p><code>io_uring</code> 是 Linux 内核在 5.1 版本引入的一套全新的、高性能的异步 I/O (Asynchronous I/O) 接口。它的出现是为了解决旧有的 <code>epoll</code> 和 <code>linux-aio</code> 在面对现代高速存储设备（如 NVMe SSD）和高并发网络场景时的性能瓶颈。</p><p>虽然 <code>io_uring</code> 是一个 C 语言的内核 API，但在 C++ 高性能网络编程和存储编程中，它正逐渐成为主流选择。</p>
<p>以下是对 C++ <code>io_uring</code> 的详细介绍，包括其原理、优势以及如何在 C++ 中使用它。</p>
<p class="maodian"></p><h2>1. 为什么我们需要 io_uring？</h2>
<p>在 <code>io_uring</code> 出现之前，Linux 下主要有两种 I/O 模式：</p>
<ol><li><strong>同步 I/O (read/write) + 多路复用 (epoll):</strong>
<ul><li>这是最主流的网络编程模式（如 Nginx, Redis, Node.js）。</li><li><strong>缺点：</strong> <code>read/write</code> 是系统调用，每次调用都需要在用户态和内核态之间切换。对于海量小包处理，系统调用的开销非常大。此外，<code>epoll</code> 只能通知“可读/可写”状态，实际的数据拷贝还是同步发生的。</li></ul></li><li><strong>Linux Native AIO (libaio):</strong><ul><li><strong>缺点：</strong> 仅支持 Direct I/O (O_DIRECT)，对 Buffered I/O 支持很差（经常退化为同步阻塞）。API 设计复杂，且存在不必要的内存拷贝。</li></ul></li></ol>
<p><strong><code>io_uring</code> 的目标：</strong> 提供统一的、全异步的、零拷贝（或少拷贝）的、无锁的 I/O 接口，既支持文件 I/O 也支持网络 I/O。</p>
<p class="maodian"></p><h2>2. io_uring 的核心原理：环形缓冲区 (Ring Buffer)</h2>
<p><code>io_uring</code> 的名字来源于 “User Ring”。它在用户态和内核态之间共享了两个环形队列（Ring Buffer），从而避免了频繁的系统调用和内存拷贝。</p>
<p>这两个队列分别是：</p>
<ol><li><strong>提交队列 (Submission Queue, SQ):</strong>
<ul><li>用户程序向这个队列中放入 I/O 请求（称为 SQE, Submission Queue Entry）。</li><li>例如：“请把文件 A 的前 4KB 读取到缓冲区 B”。</li></ul></li><li><strong>完成队列 (Completion Queue, CQ):</strong><ul><li>内核处理完请求后，将结果（称为 CQE, Completion Queue Entry）放入这个队列。</li><li>用户程序从这里读取结果（例如：“读取成功，读取了 4096 字节”）。</li></ul></li></ol>
<p><strong>工作流程：</strong></p>
<ol><li>用户将 SQE 放入 SQ。</li><li>用户通过一次系统调用 (<code>io_uring_enter</code>) 通知内核（或者在轮询模式下甚至不需要系统调用）。</li><li>内核从 SQ 获取请求并执行。</li><li>内核将结果写入 CQ。</li><li>用户从 CQ 读取结果。</li></ol>
<p class="maodian"></p><h2>3. C++ 中使用 io_uring (liburing)</h2>
<p>直接操作内核的原始结构体非常繁琐且容易出错。因此，通常使用官方封装的 C 库 <strong><code>liburing</code></strong>。在 C++ 中，我们通常直接调用 <code>liburing</code> 的 C 接口，或者使用对其进行 C++ 封装的库（如 <code>asio</code> 的 io_uring backend）。</p>
<p>下面是一个使用 <code>liburing</code> 进行异步文件读取的 C++ 示例。</p>
<p class="maodian"></p><h3>前置准备</h3>
<p>你需要安装 <code>liburing</code> 开发库：</p>
<div class="jb51code"><pre class="brush:bash;"># Ubuntu/Debian
sudo apt install liburing-dev
</pre></div>
<p class="maodian"></p><h3>完整代码示例</h3>
<p>这个例子展示了如何异步读取一个文件的前 1024 个字节。</p>
<div class="jb51code"><pre class="brush:cpp;">#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <liburing.h>
#include <sys/stat.h>
// 定义队列深度，即环形缓冲区的大小
#define QUEUE_DEPTH 8
#define BLOCK_SZ 1024
int main() {
// 1. 初始化 io_uring 结构
struct io_uring ring;
// io_uring_queue_init(深度, 实例指针, 标志位)
// 0 表示默认配置
int ret = io_uring_queue_init(QUEUE_DEPTH, &ring, 0);
if (ret < 0) {
std::cerr << "io_uring_queue_init failed: " << -ret << std::endl;
return 1;
}
// 2. 打开文件 (使用 O_DIRECT 通常能发挥 io_uring 最大性能，但这里为了简单使用普通模式)
// 注意：实际项目中请确保文件存在，或者创建一个测试文件
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
// 如果文件不存在，创建一个临时的
fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
const char* msg = "Hello from io_uring! This is a test file content.";
write(fd, msg, strlen(msg));
fsync(fd);
lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 重置文件指针
}
// 准备缓冲区
char buffer;
memset(buffer, 0, BLOCK_SZ);
struct iovec iov;
iov.iov_base = buffer;
iov.iov_len = BLOCK_SZ;
// 3. 获取一个提交队列项 (SQE)
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
if (!sqe) {
std::cerr << "Could not get SQE" << std::endl;
return 1;
}
// 4. 填充 SQE 请求
// 这是一个 "Read Vector" 操作
// 参数: sqe, 文件描述符, iovec数组, iovec数量, 偏移量
io_uring_prep_readv(sqe, fd, &iov, 1, 0);
// 设置用户数据 (user_data)，这是一个 64 位字段，内核会原样传回 CQE。
// 通常用来存放请求的 ID 或者回调函数的指针。
io_uring_sqe_set_data(sqe, nullptr); // 这里简单设为 null
// 5. 提交请求给内核
// io_uring_submit 会调用系统调用 io_uring_enter
ret = io_uring_submit(&ring);
if (ret < 0) {
std::cerr << "io_uring_submit failed: " << -ret << std::endl;
return 1;
}
std::cout << "Request submitted, waiting for completion..." << std::endl;
// 6. 等待完成队列项 (CQE)
struct io_uring_cqe *cqe;
// io_uring_wait_cqe 会阻塞直到至少有一个事件完成
ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
if (ret < 0) {
std::cerr << "io_uring_wait_cqe failed: " << -ret << std::endl;
return 1;
}
// 7. 处理结果
if (cqe->res < 0) {
std::cerr << "Async read failed: " << -cqe->res << std::endl;
} else {
std::cout << "Read " << cqe->res << " bytes." << std::endl;
std::cout << "Content: " << buffer << std::endl;
}
// 8. 标记 CQE 已处理 (这一步很重要，否则队列会满)
io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
// 9. 清理资源
close(fd);
io_uring_queue_exit(&ring);
return 0;
}
</pre></div>
<p class="maodian"></p><h3>代码编译</h3>
<div class="jb51code"><pre class="brush:bash;">g++ -o uring_test uring_test.cpp -luring
</pre></div>
<p class="maodian"></p><h2>4. io_uring 的高级特性</h2>
<p>对于追求极致性能的 C++ 开发者，<code>io_uring</code> 提供了几个杀手级特性：</p>
<p class="maodian"></p><h3>A. Submission Queue Polling (SQPOLL)</h3>
<p>默认情况下，<code>io_uring_submit</code> 仍然需要一次系统调用 (<code>io_uring_enter</code>) 来通知内核有新任务。<br />如果在初始化时设置 <code>IORING_SETUP_SQPOLL</code> 标志，内核会启动一个专门的内核线程来轮询 SQ。</p>
<ul><li><strong>效果：</strong> 用户只需把 SQE 放入环形队列，内核线程自动发现并处理。<strong>完全消除了系统调用开销</strong>。</li><li><strong>代价：</strong> 消耗更多的 CPU 资源（内核线程一直在空转检查）。</li></ul>
<p class="maodian"></p><h3>B. 注册文件和缓冲区 (Registered Files/Buffers)</h3>
<p>在传统的系统调用中，每次操作内核都需要把文件描述符 (fd) 映射到内部的文件结构，并锁定内存页。</p>
<ul><li><strong>Registered Files:</strong> 预先将 fd 数组注册给 io_uring，后续请求直接使用索引，减少内核查找 fd 的开销。</li><li><strong>Registered Buffers:</strong> 预先将用户态内存锁定并映射，避免每次 I/O 时内核重复进行 <code>get_user_pages</code> 操作。</li></ul>
<p class="maodian"></p><h3>C. 链接请求 (IOSQE_IO_LINK)</h3>
<p>你可以将多个 SQE 链接起来，强制它们按顺序执行。例如：先 <code>open</code> 文件，成功后再 <code>read</code>，最后 <code>close</code>。这允许在一次系统调用中编排复杂的 I/O 逻辑。</p>
<p class="maodian"></p><h2>5. C++ 生态中的 io_uring</h2>
<p>虽然可以直接使用 <code>liburing</code>，但在现代 C++ 开发中，我们通常使用更高层的封装：</p>
<ol><li><p><strong>Boost.Asio:</strong></p>
<ul><li>Boost.Asio 已经支持 <code>io_uring</code> 作为底层的 Reactor 实现（在 Linux 上）。</li><li>通过 <code>BOOST_ASIO_HAS_IO_URING</code> 宏启用。这使得你可以在不改变现有 Asio 代码逻辑的情况下，享受到 <code>io_uring</code> 的性能提升。</li></ul></li><li><p><strong>Seastar:</strong></p>
<ul><li>一个高性能的 C++ futures 框架，专为现代硬件设计。它是 <code>io_uring</code> 的早期采用者，非常适合构建高吞吐量的网络服务。</li></ul></li><li><p><strong>Userver:</strong></p>
<ul><li>Yandex 开源的 C++ 异步框架，底层也深度集成了 <code>io_uring</code>。</li></ul></li></ol>
<p class="maodian"></p><h2>6. io_uring vs Epoll 性能对比</h2>
<ul><li><strong>小包/高频 I/O:</strong> <code>io_uring</code> 优势巨大。因为减少了系统调用次数，上下文切换开销大幅降低。</li><li><strong>大包/低频 I/O:</strong> 差距较小，瓶颈主要在内存拷贝和硬件带宽。</li><li><strong>Spectre/Meltdown 补丁影响:</strong> 这些 CPU 漏洞补丁增加了系统调用的开销，因此 <code>io_uring</code>（尤其是 SQPOLL 模式）在受补丁影响的机器上优势更明显。</li></ul>
<p class="maodian"></p><h2>7. 总结</h2>
<p><strong>C++ io_uring 是 Linux 高性能编程的未来。</strong></p>
<ul><li><strong>核心优势：</strong> 真正的异步 I/O、减少系统调用、减少内存拷贝、统一了网络和磁盘 I/O 接口。</li><li><strong>适用场景：</strong> 高并发网络服务器（HTTP/RPC）、高性能数据库、分布式存储系统。</li><li><strong>建议：</strong> 如果你在编写通用的业务代码，建议使用 Boost.Asio 等封装好的库；如果你在开发底层的存储引擎或极致性能的网关，深入学习并直接使用 <code>liburing</code> 是非常有价值的。</li></ul>
<p>到此这篇关于C++ io_uring的使用小结的文章就介绍到这了,更多相关C++ io_uring内容请搜索琼殿技术社区以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持琼殿技术社区！</p>
<div class="art_xg">
<b>您可能感兴趣的文章:</b><ul><li>C语言、C++中的union用法总结</li><li>C++联合体union用法实例详解</li><li>C/C++ 开发神器CLion使用入门超详细教程</li><li>C++使用CriticalSection实现线程同步实例</li><li>C++ std::function详解</li><li>基于C++中setiosflags()的用法详解</li><li>C++线程优先级SetThreadPriority的使用实例</li><li>C++编译器Clion的使用详解(总结)</li></ul>
</div>
</div>
<!--endmain-->
頁:
[1]