io_uring速览(2)
io_uring 详解
核心结构体分析
io_uring 结构体
这是 io_uring 的主要数据结构，包含对 Submission Queue (SQ) 和 Completion Queue (CQ) 的引用。
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sq：指向 Submission Queue 的指针 -
cq：指向 Completion Queue 的指针 -
ring_fd：内核分配的文件描述符，用于与内核进行通信
Submission Queue (SQ) - 提交队列
用户态向内核提交 I/O 请求的地方
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sq.head：队列头部，由内核维护（表示已处理的请求数） -
sq.tail：队列尾部，由用户态维护（表示下一个要提交的请求位置） -
sq.mask：用于环形缓冲区的掩码 -
sq.entries：队列大小
Completion Queue (CQ) - 完成队列
内核将完成的 I/O 请求结果放在这里
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cq.head：队列头部，由用户态维护（表示已处理的完成项数） -
cq.tail：队列尾部，由内核维护（表示下一个完成项的位置） -
cq.mask：环形缓冲区掩码 -
cq.entries：队列大小
Submission Queue Entry (SQE) - 提交队列条目
用于描述一个 I/O 请求
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opcode：操作类型（如 IORING_OP_READ, IORING_OP_WRITE, IORING_OP_ACCEPT 等） -
fd：文件描述符 -
addr：缓冲区地址 -
len：数据长度 -
user_data：用户数据，用于关联请求和响应
Completion Queue Entry (CQE) - 完成队列条目
内核返回的 I/O 操作结果
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user_data：与对应的 SQE 中的 user_data 相同，用于识别完成事件 -
res：操作结果（成功时为字节数，失败时为负错误码） -
flags：完成标志
mmap 映射机制详解
io_uring 使用内存映射(mmap)在用户态和内核态之间共享数据结构，避免系统调用的开销：
- 初始化阶段：
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调用
io_uring_setup()系统调用，内核分配 SQ 和 CQ 的环形缓冲区 -
内核返回一个文件描述符(uring_fd)和相关的参数信息
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用户态调用
mmap()将内核分配的内存区域映射到用户地址空间
- 共享内存布局：
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内核将 SQ 和 CQ 的元数据（head、tail 指针）放在一块共享内存区
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将 SQE 和 CQE 数组放在另一块共享内存区
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用户态和内核态都能访问这些共享内存，但各自维护不同的指针
- 指针管理：
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用户态只修改 SQ.tail（提交请求）和 CQ.head（处理完成）
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内核只修改 SQ.head（处理请求）和 CQ.tail（提交完成）
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这种分工避免了锁竞争，提高了性能
代码中 io_uring 调用流程分析
1. 初始化阶段
struct io_uring ring;
io_uring_queue_init_params(ENTRIES_LENGTH, &ring, ¶ms);
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调用
io_uring_queue_init_params()创建 io_uring 实例 -
内部执行
io_uring_setup()系统调用分配内核资源 -
mmap 映射 SQ 和 CQ 相关的共享内存区域到用户空间
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初始化 ring 结构体，使其指向映射的内存区域
2. 提交 SQE 阶段（在 set_event_* 函数中）
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring);
io_uring_prep_accept(sqe, listenfd, addr, addrlen, flags);
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调用
io_uring_get_sqe()获取一个空闲的 SQE -
调用
io_uring_prep_*()系列函数填充 SQE（如io_uring_prep_accept、io_uring_prep_recv、io_uring_prep_send） -
填充 SQE 的操作码、文件描述符、参数等字段
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将用户自定义的数据复制到
sqe->user_data中，用于后续识别
3. 提交到内核阶段
io_uring_submit(&ring);
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调用
io_uring_submit()将用户态准备好但尚未提交的 SQE 提交到内核 -
更新 SQ.tail 指针，通知内核有新的请求待处理
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内核开始处理队列中的 I/O 请求
4. 等待完成阶段
io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
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调用
io_uring_wait_cqe()阻塞等待至少一个完成事件 -
如果 CQ 中已经有完成项则立即返回，否则进入睡眠直到内核产生完成项
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返回指向 CQE 的指针
5. 批量处理完成事件阶段
struct io_uring_cqe* cqes[128];
int nready = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, 128);
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调用
io_uring_peek_batch_cqe()批量获取已完成的 CQE -
一次性获取最多 128 个完成事件，减少系统调用开销
6. 处理完成事件
for (int i = 0; i < nready; i++) {
struct conn_info res;
memcpy(&res, &entry->user_data, sizeof(struct conn_info));
// 根据事件类型处理
}
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遍历每个 CQE，从
user_data中获取预先存储的连接信息 -
根据事件类型（EVENT_ACCEPT、EVENT_READ、EVENT_WRITE）处理相应的逻辑
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根据处理结果可能重新注册新的 I/O 事件
7. 清理 CQ 阶段
io_uring_cq_advance(&ring, nready);
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调用
io_uring_cq_advance()更新 CQ.head 指针 -
通知内核这些 CQE 已被处理，可以重用
整个流程的优势在于：
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通过 mmap 避免了频繁的系统调用
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通过批量处理提升了吞吐量
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通过内核线程直接处理 I/O 操作，减少了上下文切换
面试级精简回答
io_uring 是 Linux 内核提供的一种高性能异步 I/O 框架，其核心原理包括：
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双队列架构：包含提交队列(SQ)和完成队列(CQ)，用户态提交 I/O 请求到 SQ，内核完成请求后将结果放入 CQ。
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共享内存机制：通过 mmap 将内核的 SQ、CQ 结构映射到用户空间，避免频繁系统调用。用户态只修改 SQ.tail 和 CQ.head，内核只修改 SQ.head 和 CQ.tail，无锁并发。
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零拷贝设计：用户预先将 SQE 填入共享内存，内核直接从 SQ 中取出请求执行，完成后将 CQE 放入 CQ，实现真正的零拷贝。
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批量处理：支持一次提交多个请求，一次获取多个完成结果，减少系统调用开销。
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内置操作类型：支持多种 I/O 操作（read/write/accept/send/recv 等），无需额外的 poll 系统调用。
(io_uring 独特的无锁共享内存设计使其在高并发场景下性能远超 epoll+线程池的组合)
io_uring 面试题及回答
面试题 1: 请比较 epoll 和 io_uring 的区别，为什么说 io_uring 性能更好？
回答：
- 系统调用开销：
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epoll：需要多次系统调用（epoll_ctl 添加事件，epoll_wait 等待事件，read/write 数据传输）
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io_uring：通过共享内存减少系统调用，大多数操作在用户态完成
- 数据拷贝：
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epoll：每次 read/write 都需要系统调用进行数据拷贝
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io_uring：通过预先注册缓冲区（IORING_OP_PROVIDE_BUFFERS）可实现零拷贝
- 异步模型：
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epoll：本质上是同步 I/O，需要用户线程阻塞等待
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io_uring：真正的异步 I/O，内核线程直接处理 I/O 操作
- 批量处理：
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epoll：一次只能处理一个事件（除非使用 epoll_pwait2）
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io_uring：可批量提交和获取多个 I/O 操作
- 扩展性：
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epoll：主要用于网络 I/O
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io_uring：支持文件 I/O、网络 I/O 等多种操作类型
面试题 2: io_uring 的 SQ 和 CQ 是如何实现无锁并发的？这种设计有什么优势？
回答：
- 无锁机制：
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SQ（提交队列）：用户态修改
sq.tail（提交请求），内核修改sq.head（处理请求） -
CQ（完成队列）：内核修改
cq.tail（提交完成），用户态修改cq.head（处理完成） -
读写分离避免了锁竞争
- 内存屏障：
- 使用内存屏障确保内存访问顺序，防止编译器优化导致的数据不一致
- 环形缓冲区：
- 使用掩码实现高效的环形缓冲区，避免数组越界检查开销
- 优势：
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消除了锁竞争开销，提升并发性能
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减少上下文切换，用户态和内核态可并行操作
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更高的吞吐量，特别适合高并发场景
这种设计使 io_uring 在高并发 I/O 密集型应用中相比传统 I/O 多路复用技术具有显著性能优势。