一、什么是io_uring
io_uring是linux 5.1引入的异步io接口，适合io密集型应用。其初衷是为了解决linux下异步io接口不完善且性能差的现状，用以替代linux aio接口(io_setup,io_submit,io_getevents）。现在io_uring已经支持socket和文件的读写，未来会支持更多场景。
二、io_uring API
io_uring 的实现主要在 fs/io_uring.c 中。
2.1 io_uring 三个系统调用
io_uring 的实现仅仅使用了三个 syscall：
- io_uring_setup，用于设置io_uring的上下文；
- io_uring_enter，用于提交和获取完成任务；
- io_uring_register，用于注册内核用户共享缓冲区（通过mmap）
用户和内核通过提交和完成队列进行任务的提交和获取。以下是io_uring常用的缩写及对应的含义。
2.2 初始化io_uring
int io_uring_setup(u32 entries, struct io_uring_params *param);
用户通过io_uring_setup初始化一个io_uring的上下文。该函数返回一个文件描述符fd，并将io_uring支持的功能及各个数据结构在 fd 中的偏移保存在param中。用户根据偏移量通过mmap将 fd 映射到内存，获取到一段用户和内核共享的内存区域。这块区域中有 io_uring 的上下文，SQ_Ring、CQ_Ring以及一块专门用来存放SQ Entry的区域（SQE area）。
注意，SQ_Ring中保存的是SQ Entry在SQE area中的Index，而CQ_Ring中保存的是完成后完整的数据。
在Linux 5.12 内核中，SQE的大小为64B，CQE的大小为16B。初始化io_uring时，若没有指定第一个参数entries，内核默认会分配entries个SQE，2*entries的CQE。
2.3 小结
io_uring 设计的巧妙之处在于，用户和内核通过mmap映射出一段共享区域，任务的提交和获取都在这块区域进行，速度非常快。
三、io_uring实现Tcp sever代码示例
代码功能：实现Tcp服务器，支持多客户端连接，实现客户端服务端echo功能。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <liburing.h> #define ENTRIES_LENGTH 4096 #define MAX_CONNECTIONS 1024 #define BUFFER_LENGTH 1024 char buf_table[MAX_CONNECTIONS][BUFFER_LENGTH] = {0}; enum { READ, WRITE, ACCEPT, }; struct conninfo { int connfd; int type; }; void set_read_event(struct io_uring *ring, int fd, void *buf, size_t len, int flags) { struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring); io_uring_prep_recv(sqe, fd, buf, len, flags); struct conninfo ci = { .connfd = fd, .type = READ }; memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo)); return ; } void set_write_event(struct io_uring *ring, int fd, const void *buf, size_t len, int flags) { struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring); io_uring_prep_send(sqe, fd, buf, len, flags); struct conninfo ci = { .connfd = fd, .type = WRITE }; memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo)); return ; } void set_accept_event(struct io_uring *ring, int fd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *clilen, unsigned flags) { struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring); io_uring_prep_accept(sqe, fd, cliaddr, clilen, flags); struct conninfo ci = { .connfd = fd, .type = ACCEPT }; memcpy(&sqe->user_data, &ci, sizeof(struct conninfo)); return ; } int main() { int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // if (listenfd == -1) return -1; struct sockaddr_in servaddr, clientaddr; servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(9999); if (-1 == bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))) { return -2; } listen(listenfd, 10); struct io_uring_params params; memset(¶ms, 0, sizeof(params)); struct io_uring ring; memset(&ring, 0, sizeof(ring)); /*初始化params 和 ring*/ io_uring_queue_init_params(ENTRIES_LENGTH, &ring, ¶ms); socklen_t clilen = sizeof(clientaddr); set_accept_event(&ring, listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clilen, 0); while (1) { struct io_uring_cqe *cqe; io_uring_submit(&ring); int ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe); struct io_uring_cqe *cqes[10]; int cqecount = io_uring_peek_batch_cqe(&ring, cqes, 10); unsigned count = 0; for (int i = 0;i < cqecount;i ++) { cqe = cqes[i]; count ++; struct conninfo ci; memcpy(&ci, &cqe->user_data, sizeof(ci)); if (ci.type == ACCEPT) { int connfd = cqe->res; char *buffer = buf_table[connfd]; set_read_event(&ring, connfd, buffer, 1024, 0); set_accept_event(&ring, listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clilen, 0); } else if (ci.type == READ) { int bytes_read = cqe->res; if (bytes_read == 0) { close(ci.connfd); } else if (bytes_read < 0) { close(ci.connfd); printf("client %d disconnected!\n", ci.connfd); } else { //printf("buffer : %s\n", buffer); char *buffer = buf_table[ci.connfd]; set_write_event(&ring, ci.connfd, buffer, bytes_read, 0); } } else if (ci.type == WRITE) { char *buffer = buf_table[ci.connfd]; set_read_event(&ring, ci.connfd, buffer, 1024, 0); } } io_uring_cq_advance(&ring, count); } return 0; }
