异步 IO 中实际发生了什么

Question

我一直在阅读为什么异步 IO 比同步 IO 更好，这是因为在异步 IO 中，你的程序可以继续运行，而在同步 IO 中，你会被阻塞，直到操作完成。
我不明白这句话，因为使用同步IO（例如write()）内核将数据写入磁盘 - 它本身不会发生。内核确实需要 CPU 时间才能完成此操作。
因此，在 a-sync IO 中，它也需要它，这可能会导致上下文从我的应用程序切换到内核。所以它并不是真正的阻塞，但是确实需要 cpu 周期来运行这个操作。

• 那是对的吗？
• 这两者之间的区别是我们假设磁盘访问很慢，因此与等待数据写入磁盘的同步IO相比，在异步IO中，等待数据写入磁盘的时间可以使用继续进行应用程序处理，并且将其写入磁盘的内核部分很小？
• 假设我有一个应用程序，它所做的只是获取信息并将其写入文件。使用异步 IO 代替同步 IO 有什么好处吗？

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同步IO示例：

• 写（）

异步IO的例子：

• io_uring（据我所知也有零拷贝，所以这是一个好处）
• spdk（应该是最好的，虽然我不明白如何使用它）
• 爱欧

Answer 1

我不明白这句话，因为使用同步 IO（例如 write()）内核将数据写入磁盘 - 它本身不会发生。内核确实需要 CPU 时间才能完成此操作。

不会。大多数现代设备都能够自行将数据传输到 RAM 或从 RAM 传输数据（使用 DMA 或总线主控）。

举个例子；CPU 可能会告诉磁盘控制器“将 4 个扇区读入地址 0x12345000 处的 RAM”，然后 CPU 可以在磁盘控制器执行传输时执行任何其他操作（并且当磁盘控制器执行传输时，将被来自磁盘控制器的 IRQ 中断）已完成数据传输）。

然而; 对于现代系统（其中可以有任意数量的进程都希望同时使用同一设备），设备驱动程序必须维护挂起操作的列表。在这种情况下（负载下）；当设备生成一个 IRQ 来表明它完成了一个操作时，设备驱动程序会通过告诉设备开始下一个“挂起的操作”来进行响应。这样，设备几乎不会花费任何时间空闲等待被要求开始下一个操作（设备利用率更高），并且 CPU 几乎将所有时间都花在做其他事情（在 IRQ 之间）。

当然，通常硬件更先进（例如，本身有一个内部操作队列，因此驱动程序可以告诉它做多个事情，并且它可以在完成前一个操作后立即开始下一个操作）；而且驱动程序通常更先进（例如，具有“IO 优先级”以确保首先完成更重要的事情，而不仅仅是具有一个简单的待处理操作的 FIFO 队列）。

假设我有一个应用程序，它所做的只是获取信息并将其写入文件。使用异步 IO 代替同步 IO 有什么好处吗？

假设您从设备 A 获取信息（当 CPU 和设备 B 空闲时）；然后稍微处理该信息（当设备A和设备B空闲时）；然后将结果写入deviceB（当deviceA和CPU空闲时）。您可以看到大多数硬件在大部分时间里什么都不做（利用率低）。

具有异步IO；当设备A正在获取下一条信息时，CPU可以处理当前的信息，而设备B正在写入上一条信息。在理想条件下（没有速度不匹配），您可以实现 100% 的利用率（deviceA、CPU 和 deviceB 永远不会空闲）；即使存在速度不匹配（例如，deviceB 需要等待 CPU 完成当前片段的处理），任何空闲时间都将被最小化（并且利用率会尽可能最大化）。

另一种选择是使用多个任务 - 例如，一个任务同步从 deviceA 获取数据，并在读取数据时通知另一个任务；第二个任务等待数据到达并对其进行处理，并在数据处理完毕后通知另一个任务；然后第三个任务等待数据处理完毕并将其同步写入 deviceB。供利用；这实际上与使用异步 IO 相同（事实上，它可以被视为“异步 IO 的模拟”）。问题在于，您增加了管理和同步多个任务的大量额外开销（更多 RAM 花费在状态和堆栈、任务切换、锁争用等上）；并使代码变得更加复杂和难以维护。