Linux kernel 如何在内核中高效地实现异步I/O

这个问题是关于低级异步I/O系统调用的，比如send+epoll/aio_read和其他调用。 我询问的是网络I/O和磁盘I/O

实现这些异步调用的简单方法是为每个异步I/O请求创建一个线程，然后以同步方式执行请求。 显然，这种幼稚的解决方案在大量并行请求的情况下伸缩性很差。 即使使用了线程池，我们仍然需要为每个并行请求使用一个线程

因此，我推测这是通过以下更有效的方式实现的：

对于写入/发送数据：

• 将发送请求附加到某个内核内部异步I/O队列

• 专用的“写线程”以这样一种方式接收这些发送请求，从而充分利用目标硬件。为此，可以使用特殊的I/O调度程序

• 根据目标硬件，写入请求最终被调度，例如通过直接内存访问（DMA）

对于读取/接收数据：

• 硬件引发一个I/O中断，该中断跳转到内核的I/O中断处理程序中

• 中断处理程序向读取队列追加通知并快速返回

• 专用“读取线程”拾取读取队列的通知并执行两项任务：1）必要时将读取数据复制到目标缓冲区。2.）必要时以某种方式通知目标进程（如epoll、信号等）

对于所有这些，写线程或读线程的数量不需要超过CPU内核的数量。因此，并行请求的可伸缩性问题将得到解决

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这是如何在真正的操作系统内核中实现的？这些推测中哪一个是正确的？

那些“异步”I/O内容是内核和驱动程序服务的另一个假象。我将以wifi驱动程序为例。（即网络）

接收

1） 如果数据包进入，wifi H/W将产生中断，并将dot11帧或dot3帧DMA到DRAM（这取决于wifi H/W。如今，大多数现代wifi硬件将以硬件形式转换数据包-实际上是硬件上的FW）

2） Wifi驱动程序（在内核中运行）应该处理多个与Wifi相关的事情，但最有可能的是，它将形成套接字缓冲区（skb），然后将skb发送到Linux内核。通常，它发生在NET_RX_SOFTIRQ中，或者您可以创建自己的线程

3） 数据包到达Linux堆栈。您可以将其发送到用户空间。它发生在“uu netif_receive_skb_core”中，如果数据包是“IP”数据包，则第一个rx_处理程序将是“IP_rcv（）”

4） ip数据包向上移动到传输层hander，即udp_rcv（）/tcp_rcv（）。要将数据包发送到传输层，您必须经过套接字层，最终，您将在特定套接字上形成数据包链表（您可以说是Q）

5） 据我所知，这个“Q”是向用户空间提供数据包的队列。您可以在此处执行“异步”或“同步”I/O

德克萨斯州

1） 数据包将经过内核的传输层和IP层，最终，您的netdev TX处理程序将被调用（hard_start_xmit或ndo_xmit_start）。基本上，如果您的netdev（例如eth0或wifi0）是以太网设备，它将连接到您的以太网驱动程序“TX”功能或wifi驱动程序“TX”功能。这是回调，通常在驱动程序启动时设置

2） 在此阶段，您的数据包已转换为“skb”

3） 在回调中，它将准备所有的头和描述符并执行DMA

4） 一旦TX在HW上停止，HW将生成中断，您需要释放数据包

在这里，我的观点是，您的网络I/O已经在DMA和驱动程序级别作为“异步”工作。大多数现代驾驶人对此可能有不同的背景。对于TX，它将使用线程、tasklet或NET_TX_SOFTIRQ。对于RX，如果我们使用“NAPI”，它将使用NET_RX_SOFTIRQ。或者它也可以使用线程和微线程

所有这些都是基于“中断”或其他触发器独立发生的

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“同步I/O”主要在上层应用层进行模拟。所以，若你们在内核中重新编写套接字层，你们可以做任何你们想做的事情，因为底层已经按照你们的要求工作了。

“这在真正的操作系统内核中是如何实现的？”-对于堆栈溢出来说，这个话题太宽泛了。您使用了“linux内核”标记，您没有试着阅读linux内核中的I/O吗？例如，请参阅有关为块设备编写驱动程序的文档。