【操作系统百科】POSIX AIO 与 libaio

异步 I/O 的理想：提交请求 → 不等待 → 完成时通知。Linux 有两套实现，都不完美。

一、先看图

flowchart TD
    subgraph POSIX_AIO["POSIX AIO（glibc）"]
        AIO_READ[aio_read] --> POOL[线程池<br/>clone/futex]
        POOL --> SYNC[同步 pread]
    end
    subgraph LIBAIO["libaio（内核）"]
        IO_SUBMIT[io_submit] --> CTX[io_context<br/>内核 AIO 环]
        CTX --> BIO_SUB[直接 bio 提交<br/>需 O_DIRECT]
        BIO_SUB --> IO_GET[io_getevents<br/>轮询完成]
    end
    subgraph IOURING["io_uring（替代）"]
        SQ[SQ ring] --> CQ[CQ ring<br/>无需 syscall]
    end

    classDef old fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    classDef kern fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef new fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class AIO_READ,POOL,SYNC old
    class IO_SUBMIT,CTX,BIO_SUB,IO_GET kern
    class SQ,CQ new

二、POSIX AIO（glibc 实现）

2.1 API

struct aiocb cb = {
    .aio_fildes = fd,
    .aio_buf = buf,
    .aio_nbytes = 4096,
    .aio_offset = 0,
};
aio_read(&cb);
// ... 做其他工作 ...
aio_suspend(&cb_list, 1, NULL);  // 等待完成
ssize_t ret = aio_return(&cb);

2.2 真相

glibc 内部用 线程池 模拟异步——clone() 创建工作线程，每线程做同步 pread/pwrite。

问题：

• 线程创建/调度开销
• 无法利用内核异步能力
• 信号通知（aio_sigevent）不可靠

2.3 结论

不要在新代码中使用 POSIX AIO。它是 POSIX 标准的产物，Linux 实现是假异步。

三、libaio（内核 AIO）

3.1 API

io_context_t ctx = 0;
io_setup(128, &ctx);

struct iocb cb;
io_prep_pread(&cb, fd, buf, 4096, 0);

struct iocb *cbs[1] = {&cb};
io_submit(ctx, 1, cbs);

struct io_event events[1];
io_getevents(ctx, 1, 1, events, NULL);

io_destroy(ctx);

3.2 限制

• 必须 O_DIRECT：buffered I/O 会退化为同步
• io_cancel 几乎不工作：大多数驱动不支持取消
• 不能与 epoll 组合：io_getevents 是独立等待点
• 固定大小 ring：io_setup(nr_events) 分配的 ring 不能动态扩展
• 每次 io_submit 一个 syscall

3.3 使用场景

数据库引擎（MySQL InnoDB、RocksDB）在 O_DIRECT 场景下用 libaio。

四、libaio 的 eventfd 集成

io_set_eventfd(&cb, efd);  // 完成时 write(efd, 1)

可以把 eventfd 加入 epoll → 间接实现 epoll + AIO 组合。但还是需要 io_getevents 收割。

五、为什么 libaio 不支持 buffered I/O

buffered I/O 需要页缓存交互 → 可能触发 page fault → 内核不愿在 AIO 上下文处理阻塞操作 → 退化为同步。

io_uring 解决了这个问题：用独立的 io-wq 工作线程处理可能阻塞的请求。

六、io_cancel 的问题

int io_cancel(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, struct io_event *result);

返回 -EINVAL 的概率极高——NVMe、SCSI 驱动大多不实现 cancel。已提交到设备的 I/O 无法取消。

七、性能对比

libaio 在 O_DIRECT 批量场景有优势，但 io_uring 全面超越。

八、迁移建议

POSIX AIO    → 直接删除，用 io_uring 或线程池 + pread
libaio       → 新项目用 io_uring；老项目评估迁移成本
io_getevents → 可先加 eventfd 桥接，再逐步迁移

九、观察

# 查看进程的 AIO 上下文
cat /proc/<pid>/io    # rchar/wchar/syscr/syscw

# libaio ring buffer
cat /proc/<pid>/maps | grep aio

# 系统级
cat /proc/sys/fs/aio-max-nr   # 最大 AIO 上下文数
cat /proc/sys/fs/aio-nr        # 当前使用

十、小结

• POSIX AIO 是线程池伪装 → 不要用
• libaio 是内核异步，但限制多（O_DIRECT、不可取消、不组合 epoll）
• io_uring 是 libaio 的全面替代
• 老系统的 libaio 代码仍在运行，需要理解其语义

参考文献

• man 7 aio
• fs/aio.c（内核 AIO 实现）
• Suparna Bhattacharya, “Asynchronous I/O support in Linux 2.5.” OLS 2003
• 存储百科-11-linux-async-io
• Jens Axboe, “Efficient IO with io_uring.” 2019

工具

• libaio-dev（io_setup/io_submit 头文件）
• strace -e io_submit,io_getevents
• perf trace -e aio:*

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