嵌入式Linux：异步I/O

不脱发的程序猿

发布于 2025-03-29 13:53:25

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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。

1、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。

2、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：

设置文件描述符为非阻塞模式
设置文件描述符的异步标志
指定异步I/O事件的接收进程
为SIGIO信号注册信号处理函数

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/O
    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
    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：

在sigio_handler函数中，read函数用于读取文件描述符上的数据。
主程序中，进程可以继续执行其他任务而不会被阻塞，当I/O操作就绪时，会自动触发SIGIO信号并调用信号处理函数。

3、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：

无法通过open直接设置O_ASYNC。必须使用fcntl设置文件描述符的异步标志。
异步I/O事件的接收进程必须是文件描述符的所有者，如果需要其他进程接收SIGIO信号，必须通过F_SETOWN指定进程ID。
信号处理函数的安全性：信号处理函数需要快速、简洁，不应调用阻塞的I/O操作或复杂的逻辑，否则可能影响主程序的实时性。

4、异步I/O的应用场景

网络编程：在服务器端需要处理大量连接时，异步I/O可以避免进程阻塞，适合高并发应用场景。
串口通信：在嵌入式系统中，串口通信是一种常见的通信方式。通过异步I/O，进程可以同时执行其他任务，不会因为串口I/O而阻塞。
传感器数据采集：在实时数据采集系统中，异步I/O可以确保数据采集的实时性，进程在等待数据就绪时可以继续执行其他任务，提升CPU利用率。

5、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：

当信号处理函数正在处理一个SIGIO信号时，后续的SIGIO信号可能被阻塞或忽略。
SIGIO信号只能在信号处理函数执行完毕后再次触发，而其中一些信号通知会丢失。

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。

6、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SIGRTMIN
        int 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;
}