第三章：异步 I/O (Async I/O)

上篇文章中我们探索了同步 IO 的来龙去脉。本篇文章将踏入异步 IO 王国，研究异步编程思想。

本文依旧聚焦于 Linux 平台。总览异步编程，表格如下：

技术	核心原理	编程接口	I/O 类型支持	性能特点	局限性
io_uring	环形队列 + SQ/CQ 无锁队列	io_uring_setup io_uring_enter liburing 封装库	全异步 (read/write, fsync, socket, etc.)	• 零拷贝设计 • 批处理提交/完成 • 内核旁路优化	需 Linux 5.1+ API 较复杂需封装
epoll	就绪事件通知 (红黑树+链表)	epoll_create epoll_ctl epoll_wait	网络 I/O 为主 (支持 socket, pipe)	• O(1) 事件就绪检测 • 水平/边缘触发	仅支持文件描述符就绪通知 磁盘 I/O 需配合线程池
libaio	原生内核 AIO	io_setup io_submit io_getevents	Direct I/O 磁盘 (O_DIRECT)	• 真异步磁盘 I/O • 但存在阻塞点	仅支持 O_DIRECT 部分操作非异步 (fsync) 存在内存对齐限制
POSIX AIO	用户态线程模拟	aio_read aio_write aio_error	文件/网络 (假异步)	• 实质是线程池包装 • 上下文切换开销大	性能差 不适用于高性能存储

其中，POSIX AIO 笔者很少见到使用。epoll 多见于网络 socket 的异步处理，不能处理 disk io。

鉴于本文为写于 2025 年的存储小品文，kernel 早已经推进至 6.15, 故将重点放于 libaio 和 io_uring。