前言：最近研究了一下Linux的高性能异步IO框架io_uring，并尝试引入Node.js中应用起来。所以本文打算介绍一下io_uring在内核的实现，因为io_uring实现代码量大，逻辑复杂，所以只能慢慢分析。这一篇介绍io_uring初始化接口io_uring_setup的实现。
io_uring_setup的声明非常简单，但是实现的细节却非常复杂，下面我们开始分析。
static long io_uring_setup(u32 entries, struct io_uring_params __user *params)
{
struct io_uring_params p;
int i;
if (copy_from_user(&p, params, sizeof(p)))
return -EFAULT;
// 支持的flag
if (p.flags & ~(IORING_SETUP_IOPOLL | IORING_SETUP_SQPOLL |
IORING_SETUP_SQ_AFF | IORING_SETUP_CQSIZE |
IORING_SETUP_CLAMP | IORING_SETUP_ATTACH_WQ))
return -EINVAL;
return io_uring_create(entries, &p, params);
}
io_uring_setup是对io_uring_create的封装。第一个参数entries指定请求队列的长度，第二个参数params是用于调用方和内核通信的结构体。我们看一下定义。
struct io_uring_params {
// 定义请求队列长度（2的sq_entries次方），调用方定义
__u32 sq_entries;
// 完成队列长度，默认是2 * 请求队列长度
__u32 cq_entries;
// 控制内核行为的标记
__u32 flags;
// poll模式下开启的内核线程绑定的cpu
__u32 sq_thread_cpu;
// poll模式下开启的内核线程空闲时间，之后会挂起。
__u32 sq_thread_idle;
// 内核当前支持的能力，内核设置
__u32 features;
__u32 wq_fd;
__u32 resv[3];
// 记录内核数据的结构体，调用方后续调用mmap需要用到。
struct io_sqring_offsets sq_off;
struct io_cqring_offsets cq_off;
};
我们接着看io_uring_create。
static int io_uring_create(unsigned entries, struct io_uring_params *p,
struct io_uring_params __user *params)
{
struct user_struct *user = NULL;
struct io_ring_ctx *ctx;
bool limit_mem;
int ret;
p->sq_entries = roundup_pow_of_two(entries);
// 自定义完成队列长度
if (p->flags & IORING_SETUP_CQSIZE) {
p->cq_entries = roundup_pow_of_two(p->cq_entries);
// 完成队列不能小于请求队列
if (p->cq_entries < p->sq_entries)
return -EINVAL;
// 超过阈值则需要设置IORING_SETUP_CLAMP标记
if (p->cq_entries > IORING_MAX_CQ_ENTRIES) {
if (!(p->flags & IORING_SETUP_CLAMP))
return -EINVAL;
p->cq_entries = IORING_MAX_CQ_ENTRIES;
}
} else {
// 默认是两倍的请求队列长度
p->cq_entries = 2 * p->sq_entries;
}
// 用户信息
user = get_uid(current_user());
// 分配一个ctx记录上下文，因为调用方只能拿到fd，后续操作fd的时候会拿到关联的上下文
ctx = io_ring_ctx_alloc(p);
ctx->user = user;
// 和poll模式相关的数据结构
ctx->sqo_task = get_task_struct(current);
// 分配一个io_rings
ret = io_allocate_scq_urings(ctx, p);
// 处理poll模式的逻辑
ret = io_sq_offload_start(ctx, p);
// 后面还有很多，一会分析
}
io_uring_create代码比较多，我们分步分析。首先分配了一个io_ring_ctx结构体，这是核心的数据结构，用于记录io_uring实例的上下文，不过我们暂时不需要了解它具体的定义，因为实在太多，只关注本文相关的字段。
1 分配一个io_rings结构体
接着调用io_allocate_scq_urings分配一个io_rings结构体，这是非常核心的逻辑，我们看一下io_rings的定义。
struct io_rings {
struct io_uring sq, cq;
u32 sq_ring_mask, cq_ring_mask;
u32 sq_ring_entries, cq_ring_entries;
u32 sq_dropped;
u32 sq_flags;
u32 cq_flags;
u32 cq_overflow;
struct io_uring_cqe cqes[];
};
io_rings主要用于记录请求和完成队列的信息。我们继续看io_allocate_scq_urings。
static int io_allocate_scq_urings(struct io_ring_ctx *ctx,
struct io_uring_params *p)
{
struct io_rings *rings;
size_t size, sq_array_offset;
// 记录请求和完成队列大小到ctx
ctx->sq_entries = p->sq_entries;
ctx->cq_entries = p->cq_entries;
/*
计算结构体和额外数组的大小，sq_array_offset保存结构体大小，
size保存结构体+额外数组+另一个额外数组的大小
*/
size = rings_size(p->sq_entries, p->cq_entries, &sq_array_offset);
// 分配内存
rings = io_mem_alloc(size);
// ...
}
io_allocate_scq_urings细节比较多，我们分开分析，我们看一下rings_size的逻辑。
static unsigned long rings_size(unsigned sq_entries, unsigned cq_entries,
size_t *sq_offset)
{
struct io_rings *rings;
size_t off, sq_array_size;
// 计算结构体和格外数组的大小，见io_rings定义
off = struct_size(rings, cqes, cq_entries);
// sq_offset记录结构体大小
if (sq_offset)
*sq_offset = off;
// 计算多个u32元素的数组的大小
sq_array_size = array_size(sizeof(u32), sq_entries);
// 计算结构体大小 + sq_array_size的大小保存到off
if (check_add_overflow(off, sq_array_size, &off))
return SIZE_MAX;
return off;
}
struct_size是计算结构体和额外字段大小的宏，我们刚才看到io_rings结构体的定义中，最后一个字段是struct io_uring_cqe cqes[]，看起来是个空数组，其实他的内存是紧跟着结构体后面分配的，结构如下。
下面我们看struct_size是如何计算的。
#define struct_size(p, member, count) \
__ab_c_size(count, \
sizeof(*(p)->member) + __must_be_array((p)->member),\
sizeof(*(p)))
static inline __must_check size_t __ab_c_size(size_t a, size_t b, size_t c)
{
size_t bytes;
// 计算a * b保存到bytes
if (check_mul_overflow(a, b, &bytes))
return SIZE_MAX;
// 计算bytes + c保存搭配bytes
if (check_add_overflow(bytes, c, &bytes))
return SIZE_MAX;
return bytes;
}
我们看到计算方式就是数组元素大小*元素个数+结构体本身的大小。计算完结构体大小后又通过array_size计算了另一个数组的大小并加起来，所以io_rings的结构体如下所示。
分配了io_rings之后我们继续看接下来的逻辑。
static int io_allocate_scq_urings(struct io_ring_ctx *ctx,
struct io_uring_params *p)
{
// ...
// 记录到ctx中
ctx->rings = rings;
// sq_array记录rings结构体中，u32数组的首地址
ctx->sq_array = (u32 *)((char *)rings + sq_array_offset);
// 用于回环处理
rings->sq_ring_mask = p->sq_entries - 1;
rings->cq_ring_mask = p->cq_entries - 1;
// 队列长度
rings->sq_ring_entries = p->sq_entries;
rings->cq_ring_entries = p->cq_entries;
ctx->sq_mask = rings->sq_ring_mask;
ctx->cq_mask = rings->cq_ring_mask;
// 请求队列的数组大小
size = array_size(sizeof(struct io_uring_sqe), p->sq_entries);
// 分配内存并记录到sq_sqes
ctx->sq_sqes = io_mem_alloc(size);
return 0;
}
进行了一系列设置后，架构如下。
创建完io_rings结构体后，我们继续回到io_uring_create中。
2 设置io_uring_params
内核申请完系列结构体后，需要通过io_uring_params结构体返回给调用方。
static int io_uring_create(unsigned entries, struct io_uring_params *p,
struct io_uring_params __user *params) {
ret = io_allocate_scq_urings(ctx, p);
// 初始化poll模式相关逻辑，如果开启了的话
ret = io_sq_offload_start(ctx, p);
memset(&p->sq_off, 0, sizeof(p->sq_off));
// 记录字段在结构体的偏移
p->sq_off.head = offsetof(struct io_rings, sq.head);
p->sq_off.tail = offsetof(struct io_rings, sq.tail);
p->sq_off.ring_mask = offsetof(struct io_rings, sq_ring_mask);
p->sq_off.ring_entries = offsetof(struct io_rings, sq_ring_entries);
p->sq_off.flags = offsetof(struct io_rings, sq_flags);
p->sq_off.dropped = offsetof(struct io_rings, sq_dropped);
p->sq_off.array = (char *)ctx->sq_array - (char *)ctx->rings;
memset(&p->cq_off, 0, sizeof(p->cq_off));
p->cq_off.head = offsetof(struct io_rings, cq.head);
p->cq_off.tail = offsetof(struct io_rings, cq.tail);
p->cq_off.ring_mask = offsetof(struct io_rings, cq_ring_mask);
p->cq_off.ring_entries = offsetof(struct io_rings, cq_ring_entries);
p->cq_off.overflow = offsetof(struct io_rings, cq_overflow);
p->cq_off.cqes = offsetof(struct io_rings, cqes);
p->cq_off.flags = offsetof(struct io_rings, cq_flags);
// 内核支持的属性
p->features = IORING_FEAT_SINGLE_MMAP | IORING_FEAT_NODROP |
IORING_FEAT_SUBMIT_STABLE | IORING_FEAT_RW_CUR_POS |
IORING_FEAT_CUR_PERSONALITY | IORING_FEAT_FAST_POLL |
IORING_FEAT_POLL_32BITS;
copy_to_user(params, p, sizeof(*p))
// 获取fd
ret = io_uring_get_fd(ctx);
return ret;
}
io_uring_create继续进行了一系列赋值，赋值完后架构如下。
3 获取文件描述符
内核通过io_uring_get_fd获取文件描述符返回给调用方。
static int io_uring_get_fd(struct io_ring_ctx *ctx)
{
struct file *file;
// 获取一个可用fd
int ret = get_unused_fd_flags(O_RDWR | O_CLOEXEC);
// 分配一个file结构体，设置函数集为io_uring_fops，并关联上下文ctx
file = anon_inode_getfile("[io_uring]", &io_uring_fops, ctx,
O_RDWR | O_CLOEXEC);
// 关联fd和file结构体
fd_install(ret, file);
return ret;
}
io_uring_get_fd申请了一个fd和file，这是遵循vfs的设计，最重要的是把io_uring的函数集挂在到file上，后续通过fd操作的io_uring实例的时候，经过vfs后就会执行对应的函数，另外还需要把ctx和file关联起来，因为后续通过fd操作io_uring时，需要拿到fd对应的io_uring上下文。至此。
io_uring_setup就分析完了，但是还不能使用。io_uring在设计中，为了减少系统调用和用户、内核数据通信的成本，实现了用户、内核共享数据结构的方式，这样用户和内核就可以操作同一份数据结构达到通信目的，而不用通过系统调用，更不需要设计来回复制。为了达到这个目的，用户拿到io_uring实例后，还需要调用mmap获取对应的内存映射。我们通过liburing库的逻辑来分析。
4 从liburing库看io_uring的使用
int io_uring_queue_init_params(unsigned entries, struct io_uring *ring,
struct io_uring_params *p)
{
int fd, ret;
// 调用io_uring_setup，拿到fd
fd = __sys_io_uring_setup(entries, p);
if (fd < 0)
return -errno;
// 内存映射
ret = io_uring_queue_mmap(fd, p, ring);
// 保存系统支持的属性
ring->features = p->features;
return 0;
}
我们重点看一下io_uring_queue_mmap。
int io_uring_queue_mmap(int fd, struct io_uring_params *p, struct io_uring *ring)
{
int ret;
memset(ring, 0, sizeof(*ring));
ret = io_uring_mmap(fd, p, &ring->sq, &ring->cq);
// 记录flags和fd
if (!ret) {
ring->flags = p->flags;
ring->ring_fd = fd;
}
return ret;
}
继续看io_uring_mmap。
static int io_uring_mmap(int fd, struct io_uring_params *p,
struct io_uring_sq *sq, struct io_uring_cq *cq)
{
size_t size;
int ret;
// 请求队列需要映射的内存大小，即整个结构体struct io_rings结构体的大小
sq->ring_sz = p->sq_off.array + p->sq_entries * sizeof(unsigned);
// 请求队列和完成队列映射的内存大小一样，等于请求队列的
cq->ring_sz = sq->ring_sz;
// 映射并拿到虚拟地址，大小是sq->ring_sz
sq->ring_ptr = mmap(0, sq->ring_sz, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED | MAP_POPULATE, fd, IORING_OFF_SQ_RING);
cq->ring_ptr = sq->ring_ptr;
// 通过首地址和偏移拿到对应字段的地址
sq->khead = sq->ring_ptr + p->sq_off.head;
sq->ktail = sq->ring_ptr + p->sq_off.tail;
sq->kring_mask = sq->ring_ptr + p->sq_off.ring_mask;
sq->kring_entries = sq->ring_ptr + p->sq_off.ring_entries;
sq->kflags = sq->ring_ptr + p->sq_off.flags;
sq->kdropped = sq->ring_ptr + p->sq_off.dropped;
sq->array = sq->ring_ptr + p->sq_off.array;
// 映射保存请求队列节点的内存
size = p->sq_entries * sizeof(struct io_uring_sqe);
sq->sqes = mmap(0, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED | MAP_POPULATE, fd,
IORING_OFF_SQES);
// 同上
cq->khead = cq->ring_ptr + p->cq_off.head;
cq->ktail = cq->ring_ptr + p->cq_off.tail;
cq->kring_mask = cq->ring_ptr + p->cq_off.ring_mask;
cq->kring_entries = cq->ring_ptr + p->cq_off.ring_entries;
cq->koverflow = cq->ring_ptr + p->cq_off.overflow;
cq->cqes = cq->ring_ptr + p->cq_off.cqes;
if (p->cq_off.flags)
cq->kflags = cq->ring_ptr + p->cq_off.flags;
return 0;
}
io_uring_mmap除了保存一些常用的字段信息外，最重要的是做了内存映射。我们看看mmap的最后一个参数分别是IORING_OFF_SQ_RING和IORING_OFF_SQES，接下来我们看看io_uring的mmap钩子的实现。
static int io_uring_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
size_t sz = vma->vm_end - vma->vm_start;
unsigned long pfn;
void *ptr;
ptr = io_uring_validate_mmap_request(file, vma->vm_pgoff, sz);
pfn = virt_to_phys(ptr) >> PAGE_SHIFT;
return remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, sz, vma->vm_page_prot);
}
static void *io_uring_validate_mmap_request(struct file *file,
loff_t pgoff, size_t sz)
{
struct io_ring_ctx *ctx = file->private_data;
loff_t offset = pgoff << PAGE_SHIFT;
struct page *page;
void *ptr;
switch (offset) {
case IORING_OFF_SQ_RING:
case IORING_OFF_CQ_RING:
ptr = ctx->rings;
break;
case IORING_OFF_SQES:
ptr = ctx->sq_sqes;
break;
default:
return ERR_PTR(-EINVAL);
}
page = virt_to_head_page(ptr);
if (sz > page_size(page))
return ERR_PTR(-EINVAL);
return ptr;
}
这里设计的内容涉及到了复杂的内存管理，从代码中我们大概知道，返回的地址分别是ctx->rings和ctx->sq_sqes。即我们操作mmap返回的虚拟地址时，映射到内核的数据结构是ctx的字段。这样就完成了数据共享。最后形成的架构图如下。
至此，分析就告一段落，io_uring的实现实在是复杂，需要反复阅读和思考，才能慢慢理解和了解它的原理。
后记：io_uring作为新一代IO框架，未来应该会在各大软件中使用，尤其是对性能有极高要求的服务器，所以是非常值得关注和学习的。最近也尝试在Node.js中引入io_uring，目前支持文件的读写，有兴趣的同学可以了解一下https://github.com/theanarkh/nodejs_io_uring。