详细介绍io_uring-Go服务器开发

好的，IO_uring（通常写作 io_uring）是 Linux 内核中一个革命性的异步 I/O 框架，由 Jens Axboe 在 2019 年（内核 5.1 版本）引入。它的目标是解决传统 Linux I/O 接口（如 aio）的缺陷，提供一种高性能、可扩展且易于使用的异步 I/O 机制。

1. 为什么需要 io_uring？

传统的 Linux AIO（libaio）存在许多局限性：

仅支持直接 I/O：不支持缓冲 I/O 和文件系统元数据操作（如 open, stat 等）。
内存开销大：每个 I/O 操作需要单独分配内存。
系统调用开销：即使使用批量提交，仍需要频繁的系统调用。
功能不完整：例如不支持 socket I/O。

io_uring 通过以下设计解决了这些问题：

统一的异步接口：支持几乎所有类型的 I/O（存储、网络、管道等）。
零拷贝机制：通过共享内存环缓冲区减少用户态与内核态的数据拷贝。
批量和轮询模式：显著减少系统调用次数，甚至实现零系统调用。

2. 核心组件

io_uring 的核心是两个环形缓冲区（ring buffer）：

提交队列（Submission Queue, SQ）
- 用户态程序将 I/O 请求（称为 Submission Queue Entry, SQE）放入 SQ。
- 内核从 SQ 读取请求并执行。
完成队列（Completion Queue, CQ）
- 内核将已完成的 I/O 结果（称为 Completion Queue Event, CQE）放入 CQ。
- 用户态程序从 CQ 读取结果。

这两个队列通过共享内存实现，用户态和内核态无需额外拷贝数据即可交换信息。

3. 工作流程

初始化 io_uring
使用 io_uring_setup() 系统调用创建 SQ 和 CQ，并映射到用户空间。
提交请求
- 用户程序将 SQE 写入 SQ。
- 调用 io_uring_enter() 通知内核有新的请求（或依赖轮询模式避免系统调用）。
内核处理
内核异步执行 I/O 操作，完成后将结果写入 CQ。
获取结果
用户程序从 CQ 读取 CQE，处理完成状态。

4. 关键特性

(1) 高性能设计

批处理操作：一次性提交多个 I/O 请求，减少系统调用次数。
轮询模式（Polled Mode）
- SQ Polling：内核主动检查 SQ，无需用户调用 io_uring_enter()。
- CQ Polling：用户程序主动检查 CQ，无需等待中断。
固定资源（Fixed Resources）
可以预注册缓冲区或文件描述符，避免每次操作重复注册。

(2) 丰富的操作类型

除了常规的 read/write，还支持：

Socket I/O (send, recv) -文件操作 (open, close, stat) -超时和事件通知 (timeout, poll_add) -链式操作（依赖顺序执行）。

(3) Proactor 模式

用户程序只需提交请求并处理完成事件，无需主动等待 I/O。

5. API示例（C语言）

#include <liburing.h>

int main() {
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(32, &ring, ); //初始化

    //准备SQE
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    char buffer[4096];
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, sizeof(buffer), );

    //提交请求
    io_uring_submit(&ring);

    //等待完成
    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    printf("Read %d bytes\n", cqe->res);

    io_uring_queue_exit(&ring); //清理
}