嵌入式Linux：异步I/O

电子设计联盟 · 发表于 2025-3-28 08:01:00

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与I/O多路复用机制（如select和poll）相比，异步I/O通过信号通知机制，使得进程不需要反复查询I/O状态，而是由内核主动向进程发送信号（如SIGIO）来通知I/O状态的变化。
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I/O多路复用与异步I/O的区别
I/O多路复用（select/poll/epoll）
在多路复用机制中，进程使用select、poll或epoll等系统调用来主动查询文件描述符的状态，即等待某个文件描述符变得可读或可写。

这些方法虽然能有效处理多个文件描述符的事件，但本质上仍属于同步I/O，因为进程在发起查询时会被阻塞。

异步I/O（Asynchronous I/O）
在异步I/O中，进程通过注册信号处理函数和设置文件描述符的异步标志，当I/O操作就绪时，内核会自动向进程发送信号（通常是SIGIO信号），不再需要主动轮询状态。

进程在等待I/O时可以继续执行其他任务，收到信号后再执行相应的I/O操作。
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实现异步I/O的步骤
在Linux中，使用异步I/O通常需要配合信号机制。

具体步骤如下：

设置文件描述符为非阻塞模式

设置文件描述符的异步标志

指定异步I/O事件的接收进程

为SIGIO信号注册信号处理函数

2.1、设置非阻塞模式
首先，需要将文件描述符设置为非阻塞模式（O_NONBLOCK标志），以便在执行I/O操作时不会阻塞当前进程。

可以通过fcntl系统调用来实现：

int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK);if (fd 0) { perror("open"); return -1;}2.2、设置异步I/O标志（O_ASYNC）
接下来，需要为文件描述符设置异步I/O标志（O_ASYNC）。该标志用于通知内核，当文件描述符上的I/O操作就绪时向接收进程发送SIGIO信号。

需要使用fcntl系统调用来完成此操作：

int flags = fcntl(fd, F_GETFL); // 获取当前标志flags |= O_ASYNC; // 增加O_ASYNC标志fcntl(fd, F_SETFL, flags); // 设置新的标志注意：open函数无法直接通过指定O_ASYNC标志来使能异步I/O，因此必须通过fcntl来设置。

2.3、设置异步I/O事件的接收进程
默认情况下，异步I/O事件的接收进程是创建文件描述符的进程。

但如果需要将I/O事件转交给其他进程，可以使用fcntl函数设置文件描述符的“所有者”，也就是指定哪个进程应当接收I/O事件的通知信号：

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 设置当前进程为异步I/O事件的接收进程2.4、注册SIGIO信号处理函数
最后，为SIGIO信号注册信号处理函数。可以使用signal或sigaction函数为SIGIO信号注册一个处理函数。

当文件描述符上有I/O操作就绪时，内核会向接收进程发送SIGIO信号，触发信号处理函数的执行。

以下是信号处理函数的注册示例：

void sigio_handler(int signum) { // 执行I/O操作 char buffer[1024]; ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); if (bytes_read > 0) {       buffer[bytes_read] = '\0';       printf("异步读取的数据：%s
", buffer); }}
int main() { // 注册SIGIO信号处理函数 signal(SIGIO, sigio_handler); // 设置文件描述符的非阻塞模式和异步模式 int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK); if (fd 0) {       perror("open");       return 1; } // 使能异步I/O int flags = fcntl(fd, F_GETFL); flags |= O_ASYNC; fcntl(fd, F_SETFL, flags); // 设置异步I/O事件的接收进程 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 主程序可以执行其他任务 while (1) {       printf("主进程在执行其他任务...
");       sleep(1); } close(fd); return 0;}说明：

在sigio_handler函数中，read函数用于读取文件描述符上的数据。

主程序中，进程可以继续执行其他任务而不会被阻塞，当I/O操作就绪时，会自动触发SIGIO信号并调用信号处理函数。

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O_ASYNC标志的作用和注意事项
O_ASYNC标志用于使能文件描述符的异步I/O事件，使文件描述符在可执行I/O操作时向指定进程发送SIGIO信号。

需要注意以下几点：

无法通过open直接设置O_ASYNC。必须使用fcntl设置文件描述符的异步标志。

异步I/O事件的接收进程必须是文件描述符的所有者，如果需要其他进程接收SIGIO信号，必须通过F_SETOWN指定进程ID。

信号处理函数的安全性：信号处理函数需要快速、简洁，不应调用阻塞的I/O操作或复杂的逻辑，否则可能影响主程序的实时性。
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异步I/O的应用场景

网络编程：在服务器端需要处理大量连接时，异步I/O可以避免进程阻塞，适合高并发应用场景。

串口通信：在嵌入式系统中，串口通信是一种常见的通信方式。通过异步I/O，进程可以同时执行其他任务，不会因为串口I/O而阻塞。

传感器数据采集：在实时数据采集系统中，异步I/O可以确保数据采集的实时性，进程在等待数据就绪时可以继续执行其他任务，提升CPU利用率。[/ol]
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异步I/O的缺陷与优化
默认异步I/O信号SIGIO的局限
默认情况下，异步I/O使用非实时信号SIGIO作为通知信号。由于SIGIO是非实时信号，不支持信号排队机制，可能导致多个通知丢失。

例如：

当信号处理函数正在处理一个SIGIO信号时，后续的SIGIO信号可能被阻塞或忽略。

SIGIO信号只能在信号处理函数执行完毕后再次触发，而其中一些信号通知会丢失。

这种缺陷会导致进程无法及时响应I/O事件，影响应用程序的实时性。

无法得知具体的事件类型
在默认的异步I/O信号处理函数中，进程无法直接获取文件描述符上具体的事件类型（如可读、可写、错误等），通常只能盲目地尝试执行I/O操作。

为此，我们可以利用实时信号来提供更精确的事件信息，并通过结构体siginfo_t的扩展字段来识别事件类型。
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优化方法：使用实时信号替换默认信号
通过将SIGIO替换为实时信号（如SIGRTMIN），可以实现信号的排队机制，从而确保多次I/O事件通知不会被丢失。步骤如下：

6.1、设置实时信号作为异步I/O通知信号
使用fcntl函数的F_SETSIG命令，将实时信号（如SIGRTMIN）替换默认信号SIGIO：

fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN); // 将SIGRTMIN设为fd的异步I/O通知信号如果参数设置为0，则将恢复为默认的SIGIO信号。

6.2、使用sigaction注册信号处理函数
使用sigaction函数替代signal函数，以便支持更高级的信号处理方式。

通过为sa_flags设置SA_SIGINFO标志，我们可以在信号处理函数中使用扩展参数siginfo_t来获取更多事件信息：

void sigio_handler(int signo, siginfo_t *info, void *context) { if (info->si_signo == SIGRTMIN) { // 确认信号是SIGRTMIN int fd = info->si_fd; // 获取发生事件的文件描述符 int event = info->si_code; // 获取事件类型 // 根据事件类型进行不同的处理 if (event == POLL_IN) { // 可读取数据 // 执行读操作 } else if (event == POLL_OUT) { // 可写入数据 // 执行写操作 } else if (event == POLL_ERR) { // I/O错误 // 错误处理 } }}int main() { struct sigaction sa; sa.sa_flags = SA_SIGINFO; // 使用sa_sigaction处理函数 sa.sa_sigaction = sigio_handler; // 注册信号处理函数 sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL); // 绑定SIGRTMIN信号 // 设置文件描述符的异步I/O标志 int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_NONBLOCK); int flags = fcntl(fd, F_GETFL); flags |= O_ASYNC; fcntl(fd, F_SETFL, flags); // 设置异步I/O事件的接收进程及信号 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN); // 指定实时信号SIGRTMIN // 主程序继续执行 while (1) { sleep(1); } close(fd); return 0;}6.3、利用siginfo_t的扩展字段获取事件详情
在实时信号的信号处理函数中，siginfo_t结构体的si_code和si_band字段可以帮助识别发生的事件类型，如下：

si_fd：发生事件的文件描述符。

si_code：事件类型（如POLL_IN、POLL_OUT等），通过该字段可以确认文件描述符的状态。

si_band：事件的位掩码，与poll()函数的revents字段一致，用于进一步确认事件细节。
例如：

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通过这些扩展字段，可以在信号处理函数中更灵活地执行不同的I/O操作，避免盲目调用read或write操作，从而进一步提升性能和可靠性。

通过实时信号优化异步I/O，可以有效解决通知丢失及事件类型不足的问题，使异步I/O在文件描述符多且并发高的场景下性能更加稳定和可靠。

配合siginfo_t的扩展信息，信号处理函数可以更加精准地响应I/O事件。

在应用开发中，可以根据文件描述符的数量、实时性要求、CPU资源占用等因素，综合考虑使用异步I/O或epoll来构建高效的I/O处理框架。

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