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名前
aio - POSIX 非同期 I/O の概要
説明
POSIX 非同期 (AIO) インターフェースを使うと、アプリケーションは、非同期 に (つまり、バック
グラウンドで) 実行されるI/O 操作を一つ以上発行できる ようになる。アプリケーションは I/O 操
作の完了の通知方法を選択することが できる。選択できる通知方法は、シグナルの配送、スレッド
の起動、通知を行 わないである。
POSIX AIO インターフェースは以下の関数で構成されている。
aio_read(3)
読み出しリクエストをキューに入れる。 read(2) の非同期版である。
aio_write(3)
書き込みリクエストをキューに入れる。 write(2) の非同期版である。
aio_fsync(3)
ファイルディスクリプターに対して行われた I/O 操作の 同期 (sync) リクエストをキュー
に入れる。 fsync(2) や fdatasync(2) の非同期版である。
aio_error(3)
キューに入れられた I/O リクエストのエラー状態を取得する。
aio_return(3)
完了した I/O リクエストの終了ステータスを取得する。
aio_suspend(3)
指定された I/O リクエストの集合 (要素は一つ以上) が完了するまで、 呼び出し側の実行
を停止 (suspend) する。
aio_cancel(3)
指定されたファイルディスクリプターに関する 完了していない I/O リクエストのキャンセ
ルを試みる。
lio_listio(3)
一回の関数呼び出しで複数の I/O リクエストをキューに入れる。
aiocb ("非同期 I/O 制御ブロック (asynchronous I/O control block)") 構造体は、I/O 操作を制
御するパラメーターを定義する。この型の引数は上記 の全ての関数で使用されている。この構造体
は以下の通りである。
#include <aiocb.h>
struct aiocb {
/* The order of these fields is implementation-dependent */
int aio_fildes; /* File descriptor */
off_t aio_offset; /* File offset */
volatile void *aio_buf; /* Location of buffer */
size_t aio_nbytes; /* Length of transfer */
int aio_reqprio; /* Request priority */
struct sigevent aio_sigevent; /* Notification method */
int aio_lio_opcode; /* Operation to be performed;
lio_listio() only */
/* Various implementation-internal fields not shown */
};
/* Operation codes for 'aio_lio_opcode': */
enum { LIO_READ, LIO_WRITE, LIO_NOP };
この構造体のフィールドは以下の通りである。
aio_fildes
I/O 操作の実行対象となるファイルディスクリプター。
aio_offset
I/O 操作を行うファイルオフセットを示す。
aio_buf
読み出し操作、書き込み操作でデータ転送に使用されるバッファー。
aio_nbytes
aio_buf が指すバッファーのサイズ。
aio_reqprio
このフィールドでは、呼び出したスレッドのリアルタイム優先度から 減算する値を指定す
る。この I/O リクエストの実行の優先度を 決定するために使用される
(pthread_setschedparam(3) 参照)。 指定する値は 0 と sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX)
が返す値の間で なければならない。このフィールドは、ファイル同期操作では無視される。
aio_sigevent
このフィールドは、非同期 I/O 操作が完了した際に呼び出し側に どのように通知を行うか
を指定する構造体である。 aio_sigevent.sigev_notify に指定できる値は、 SIGEV_NONE,
SIGEV_SIGNAL, SIGEV_THREAD である。 詳細は sigevent(7) を参照。
aio_lio_opcode
実行される操作の種別。 lio_listio(3) でのみ使用される。
上記のリストにある標準の関数に加えて、GNU C ライブラリでは 以下に示す POSIX AIO API に対す
る拡張が提供されている。
aio_init(3)
glibc の POSIX AIO 実装の動作を調整するパラメーターを設定する。
エラー
EINVAL aiocb 構造体の aio_reqprio フィールドが、0 より小さいか、
sysconf(_SC_AIO_PRIO_DELTA_MAX) が返す上限よりも大きかった。
バージョン
POSIX AIO インターフェイスは glibc バージョン 2.1 以降で提供されている。
準拠
POSIX.1-2001, POSIX.1-2008.
注意
使用前に制御ブロックバッファーを 0 で埋めるのはよい考えである (memset(3) 参照)。I/O 操作が
実行中の間は、制御ブロックバッファーと aio_buf が指すバッファーを変更してはならない。I/O
操作が完了するまで、 これらのバッファーは有効な状態に保たなければならない。
同じ aiocb 構造体を使って、同時に複数の非同期の読み出し操作や 書き込み操作を行った場合
に、どのような結果になるかは未定義である。
現在の Linux では、POSIX AIO 実装は glibc によりユーザー空間で提供 されている。このた
め、制限がいくつかあり、最も顕著なものは、I/O 操作を 実行する複数のスレッドの管理コストが
高く、スケーラビリティに欠けること である。しばらくの間、カーネルのステートマシンによる非
同期 I/O の実装 の作業が行われているが (io_submit(2), io_setup(2), io_cancel(2),
io_destroy(2), io_getevents(2) 参照)、 この実装はまだ POSIX AIO 実装をカーネルシステムコー
ルにより 再実装するほど成熟したものてはない。
例
下記のプログラムは、コマンドライン引数で指定された名前のファイルを それぞれオープンし、得
られたファイルディスクリプターに対するリクエストを aio_read(3) を使ってキューに入れる。そ
の後、このプログラムはループに 入り、定期的に aio_error(3) を使ってまだ実行中の各 I/O 操作
を監視す る。各 I/O リクエストは、シグナルの配送による完了通知が行われるように設 定され
る。全ての I/O リクエストが完了した後、aio_return(3) を使って それぞれのステータスを取得す
る。
SIGQUIT シグナル (control-\ をタイプすると生成できる) を送ると、 このプログラムは
aio_cancel(3) を使って 完了していない各リクエストにキャンセル要求を送る。
以下はこのプログラムを実行した際の出力例である。 この例では、標準入力に対して 2 つのリクエ
ストを行い、 "abc" と "x" という 2 行の入力を行っている。
$ ./a.out /dev/stdin /dev/stdin
opened /dev/stdin on descriptor 3
opened /dev/stdin on descriptor 4
aio_error():
for request 0 (descriptor 3): In progress
for request 1 (descriptor 4): In progress
abc
I/O completion signal received
aio_error():
for request 0 (descriptor 3): I/O succeeded
for request 1 (descriptor 4): In progress
aio_error():
for request 1 (descriptor 4): In progress
x
I/O completion signal received
aio_error():
for request 1 (descriptor 4): I/O succeeded
All I/O requests completed
aio_return():
for request 0 (descriptor 3): 4
for request 1 (descriptor 4): 2
プログラムのソース
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <aio.h>
#include <signal.h>
#define BUF_SIZE 20 /* Size of buffers for read operations */
#define errExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
struct ioRequest { /* Application-defined structure for tracking
I/O requests */
int reqNum;
int status;
struct aiocb *aiocbp;
};
static volatile sig_atomic_t gotSIGQUIT = 0;
/* On delivery of SIGQUIT, we attempt to
cancel all outstanding I/O requests */
static void /* Handler for SIGQUIT */
quitHandler(int sig)
{
gotSIGQUIT = 1;
}
#define IO_SIGNAL SIGUSR1 /* Signal used to notify I/O completion */
static void /* Handler for I/O completion signal */
aioSigHandler(int sig, siginfo_t *si, void *ucontext)
{
if (si->si_code == SI_ASYNCIO) {
write(STDOUT_FILENO, "I/O completion signal received\n", 31);
/* The corresponding ioRequest structure would be available as
struct ioRequest *ioReq = si->si_value.sival_ptr;
and the file descriptor would then be available via
ioReq->aiocbp->aio_fildes */
}
}
int
main(int argc, char *argv[])
{
struct sigaction sa;
int s;
int numReqs; /* Total number of queued I/O requests */
int openReqs; /* Number of I/O requests still in progress */
if (argc < 2) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <pathname> <pathname>...\n",
argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
numReqs = argc - 1;
/* Allocate our arrays */
struct ioRequest *ioList = calloc(numReqs, sizeof(*ioList));
if (ioList == NULL)
errExit("calloc");
struct aiocb *aiocbList = calloc(numReqs, sizeof(*aiocbList));
if (aiocbList == NULL)
errExit("calloc");
/* Establish handlers for SIGQUIT and the I/O completion signal */
sa.sa_flags = SA_RESTART;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_handler = quitHandler;
if (sigaction(SIGQUIT, &sa, NULL) == -1)
errExit("sigaction");
sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
sa.sa_sigaction = aioSigHandler;
if (sigaction(IO_SIGNAL, &sa, NULL) == -1)
errExit("sigaction");
/* Open each file specified on the command line, and queue
a read request on the resulting file descriptor */
for (int j = 0; j < numReqs; j++) {
ioList[j].reqNum = j;
ioList[j].status = EINPROGRESS;
ioList[j].aiocbp = &aiocbList[j];
ioList[j].aiocbp->aio_fildes = open(argv[j + 1], O_RDONLY);
if (ioList[j].aiocbp->aio_fildes == -1)
errExit("open");
printf("opened %s on descriptor %d\n", argv[j + 1],
ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
ioList[j].aiocbp->aio_buf = malloc(BUF_SIZE);
if (ioList[j].aiocbp->aio_buf == NULL)
errExit("malloc");
ioList[j].aiocbp->aio_nbytes = BUF_SIZE;
ioList[j].aiocbp->aio_reqprio = 0;
ioList[j].aiocbp->aio_offset = 0;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_signo = IO_SIGNAL;
ioList[j].aiocbp->aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr =
&ioList[j];
s = aio_read(ioList[j].aiocbp);
if (s == -1)
errExit("aio_read");
}
openReqs = numReqs;
/* Loop, monitoring status of I/O requests */
while (openReqs > 0) {
sleep(3); /* Delay between each monitoring step */
if (gotSIGQUIT) {
/* On receipt of SIGQUIT, attempt to cancel each of the
outstanding I/O requests, and display status returned
from the cancellation requests */
printf("got SIGQUIT; canceling I/O requests: \n");
for (int j = 0; j < numReqs; j++) {
if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
printf(" Request %d on descriptor %d:", j,
ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
s = aio_cancel(ioList[j].aiocbp->aio_fildes,
ioList[j].aiocbp);
if (s == AIO_CANCELED)
printf("I/O canceled\n");
else if (s == AIO_NOTCANCELED)
printf("I/O not canceled\n");
else if (s == AIO_ALLDONE)
printf("I/O all done\n");
else
perror("aio_cancel");
}
}
gotSIGQUIT = 0;
}
/* Check the status of each I/O request that is still
in progress */
printf("aio_error():\n");
for (int j = 0; j < numReqs; j++) {
if (ioList[j].status == EINPROGRESS) {
printf(" for request %d (descriptor %d): ",
j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes);
ioList[j].status = aio_error(ioList[j].aiocbp);
switch (ioList[j].status) {
case 0:
printf("I/O succeeded\n");
break;
case EINPROGRESS:
printf("In progress\n");
break;
case ECANCELED:
printf("Canceled\n");
break;
default:
perror("aio_error");
break;
}
if (ioList[j].status != EINPROGRESS)
openReqs--;
}
}
}
printf("All I/O requests completed\n");
/* Check status return of all I/O requests */
printf("aio_return():\n");
for (int j = 0; j < numReqs; j++) {
ssize_t s;
s = aio_return(ioList[j].aiocbp);
printf(" for request %d (descriptor %d): %zd\n",
j, ioList[j].aiocbp->aio_fildes, s);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
関連項目
io_cancel(2), io_destroy(2), io_getevents(2), io_setup(2), io_submit(2), aio_cancel(3),
aio_error(3), aio_init(3), aio_read(3), aio_return(3), aio_write(3), lio_listio(3)
"Asynchronous I/O Support in Linux 2.5", Bhattacharya, Pratt, Pulavarty, and Morgan,
Proceedings of the Linux Symposium, 2003,
⟨https://www.kernel.org/doc/ols/2003/ols2003-pages-351-366.pdf⟩
この文書について
この man ページは Linux man-pages プロジェクトのリリース 5.10 の一部である。プロジェクトの
説明とバグ報告に関する情報は https://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。