AIO

Section: Linux Programmer's Manual (7)
Updated: 2014-04-06
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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。この型の引き数は上記 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_filedes
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。  

下記のプログラムは、コマンドライン引き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 <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)

#define errMsg(msg)  do { perror(msg); } 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)
{
    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 ioRequest *ioList;
    struct aiocb *aiocbList;
    struct sigaction sa;
    int s, j;
    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 */

    ioList = calloc(numReqs, sizeof(struct ioRequest));
    if (ioList == NULL)
        errExit("calloc");

    aiocbList = calloc(numReqs, sizeof(struct aiocb));
    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 (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 (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
                        errMsg("aio_cancel");
                }
            }

            gotSIGQUIT = 0;
        }

        /* Check the status of each I/O request that is still
           in progress */

        printf("aio_error():\n");
        for (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:
                    errMsg("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 (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)

 

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 3.79 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 http://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。


 

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