概述
在网络编程中，IO操作是主要的性能瓶颈之一。传统的阻塞IO和非阻塞IO虽然各有优势，但在高并发和高性能要求的场景下，它们都有各自的局限性。异步IO（即AIO，Asynchronous IO）提供了一种更高效的方式来处理IO操作，特别是在需要同时处理大量连接的情况下。
工作原理
异步IO允许应用程序发起一个IO请求后，立即返回控制权给调用者，而不需要等待IO操作完成。操作系统会在后台处理IO操作，并在完成后通过某种方式通知应用程序。异步IO的工作流程主要有以下四个步骤。
1、发起请求。应用程序向操作系统发起一个IO请求，比如：读取或写入数据。
2、立即返回。操作系统接收请求后，立即返回控制权给应用程序，应用程序可以继续执行其他任务。
3、后台处理。操作系统在后台处理IO请求，与应用程序互不影响。
4、完成通知。IO操作完成后，操作系统通过回调函数或事件通知机制告知应用程序。
那么，如何实现异步IO呢？主要有以下三种方式，下面分别进行介绍。
1、Windows AIO。基于Windows API的异步IO接口（重叠IO和完成端口），适用于Windows系统。
2、POSIX AIO。基于POSIX标准的异步IO接口，适用于Linux系统（包括Unix系统）。
3、第三方库。比如：Boost.Asio、libuv等，提供了跨平台的异步IO支持和统一的接口调用，使用者不用关心底层是如何实现的。
Windows AIO
在Windows系统中，异步IO通常通过完成端口来实现。IOCP（IO Completion Ports）是Windows提供的一种高级异步IO机制，它允许应用程序有效地管理大量并发IO请求。IOCP的主要优点是：可以处理大量的客户端连接，并且能够与线程池很好地集成。
IOCP的主要接口有两个，分别为：CreateIoCompletionPort、GetQueuedCompletionStatus。
1、CreateIoCompletionPort函数：是Windows系统中用于创建或访问IO完成端口的函数。它允许我们将文件句柄、套接字等与一个IO完成端口关联起来，并在IO操作完成时接收通知。其函数原型如下。
HANDLE CreateIoCompletionPort(HANDLE FileHandle, HANDLE ExistingCompletionPort,
ULONG_PTR CompletionKey, DWORD NumberOfConcurrentThreads);各个参数和返回值的含义如下。
FileHandle：关联到IO完成端口的文件句柄（比如：套接字句柄）。如果为INVALID_HANDLE_VALUE，则创建一个新的IO完成端口。如果ExistingCompletionPort为NULL，那么FileHandle必须为INVALID_HANDLE_VALUE。如果ExistingCompletionPort不为 NULL，那么FileHandle可以是任何有效的文件句柄。
ExistingCompletionPort：现有的IO完成端口句柄。如果为NULL，则创建一个新的IO定成端口。如果FileHandle为INVALID_HANDLE_VALUE，那么ExistingCompletionPort必须为NULL。如果FileHandle有效，那么ExistingCompletionPort可以是现有的IO完成端口句柄。
CompletionKey：与文件句柄关联的应用程序定义的值。这个值会在GetQueuedCompletionStatus调用时返回，可用来区分不同的文件句柄。如果FileHandle为INVALID_HANDLE_VALUE，那么CompletionKey将被忽略。如果FileHandle有效，那么CompletionKey将与该文件句柄关联。
NumberOfConcurrentThreads：建议的最大并发线程数，只在创建新的IO完成端口时有效。这个值告诉系统应该有多少个线程同时处理IO完成通知，如果为0，则系统会根据需要自动调整线程数。
返回值：成功时，返回新创建的IO完成端口的句柄，或者现有的IO完成端口的句柄。失败时，返回NULL。
2、GetQueuedCompletionStatus函数：用于从IO完成端口获取完成包。这个函数通常在工作线程中调用，以便处理异步IO操作的结果或手动发布的完成包。其函数原型如下。
BOOL GetQueuedCompletionStatus(HANDLE CompletionPort,
LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, PULONG_PTR lpCompletionKey,
LPOVERLAPPED *lpOverlapped, DWORD dwMilliseconds);各个参数和返回值的含义如下。
CompletionPort：指定要从中获取完成包的IO完成端口句柄。这个句柄必须是由CreateIoCompletionPort创建的。
lpNumberOfBytesTransferred：指向一个变量的指针，该变量接收与完成包关联的字节数。如果不需要这个信息，可以传递NULL。
lpCompletionKey：指向一个变量的指针，该变量接收与完成包关联的应用程序定义的值。如果不需要这个信息，可以传递NULL。
lpOverlapped：指向OVERLAPPED结构的指针的指针。如果完成包是由于重叠IO操作完成而产生的，那么这个参数会接收到相应的OVERLAPPED结构的地址。如果完成包是通过PostQueuedCompletionStatus发布的，并且提供了OVERLAPPED结构，那么这个参数也会接收到该结构的地址。如果不需要这个信息，可以传递NULL。
dwMilliseconds：指定等待完成包的时间，以毫秒为单位。如果为INFINITE，则表示无限期等待，直到有完成包可用。如果为0，则表示立即返回，不等待。如果大于0，则表示等待指定的毫秒数。
返回值：成功时，返回TRUE，并且完成包的信息会被填充到提供的指针所指向的变量中。失败时，返回FALSE。可以通过调用GetLastError获取错误代码，如果为WAIT_TIMEOUT，表示在指定的时间内没有完成包可用。
POSIX AIO
POSIX AIO是基于POSIX标准的异步IO接口，并不是所有系统都完全支持，某些Linux发行版可能默认不启用AIO支持。虽然POSIX AIO提供了异步IO的能力，但在某些特定情况下，其性能可能不如其他异步IO机制（比如：epoll、kqueue等）。
POSIX AIO的主要接口包括以下几个函数和结构体。
aio_read和aio_write函数：发起异步读取和写入请求。这些函数接受一个struct aiocb结构体作为参数，该结构体包含了IO操作的所有相关信息，其定义如下。
struct aiocb
{
int aio_fildes; // 文件描述符
off_t aio_offset; // 偏移量
volatile void *aio_buf; // 缓冲区指针
size_t aio_nbytes; // 传输的字节数
int aio_reqprio; // 请求优先级
struct sigevent aio_sigevent; // 通知机制
int aio_lio_opcode; // 仅在lio_listio中使用
};aio_error函数：用于查询异步IO请求的状态。如果请求已完成，则返回0。如果仍在进行中，则返回EINPROGRESS。如果发生错误，则返回相应的错误码。
aio_return函数：获取异步IO请求的结果。通常与aio_error函数一起使用，在确认请求完成后，获取实际传输的字节数。
lio_listio函数：批量发起多个异步IO请求。可同时提交多个读写操作，并在所有操作完成后，一次性通知应用程序。
sigevent：用于指定异步IO操作完成后的通知机制。可以选择信号、线程或自定义回调函数等方式来接收通知，具体如下。
（1）SIGEV_NONE：不使用任何通知。
（2）SIGEV_SIGNAL：发送一个信号给进程。
（3）SIGEV_THREAD：创建一个新的线程来执行回调函数。
（4）SIGEV_THREAD_ID：在指定的线程中执行回调函数。
下面，我们给出使用POSIX AIO进行异步读取的一段示例代码，方便大家理解上面的函数。
#include <iostream>
#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <signal.h>
using namespace std;
// 回调函数
static void aio_completion_handler(sigval_t sigval)
{
struct aiocb *cb = (struct aiocb *)sigval.sival_ptr;
if (aio_error(cb) == 0)
{
ssize_t bytes_read = aio_return(cb);
cout << "Read " << bytes_read << " bytes: " <<
string((char *)cb->aio_buf, bytes_read) << endl;
}
else
{
perror("aio_error");
}
}
int main()
{
int fd = open("hope_wisdom.txt", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open");
return -1;
}
char buffer[1024];
struct aiocb aio_cb;
memset(&aio_cb, 0, sizeof(aio_cb));
// 设置aiocb结构体
aio_cb.aio_fildes = fd;
aio_cb.aio_buf = (void *)buffer;
aio_cb.aio_nbytes = sizeof(buffer);
aio_cb.aio_offset = 0;
aio_cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
aio_cb.aio_sigevent.sigev_notify_function = aio_completion_handler;
aio_cb.aio_sigevent.sigev_value.sival_ptr = &aio_cb;
// 发起异步读取请求
if (aio_read(&aio_cb) < 0)
{
perror("aio_read");
close(fd);
return -1;
}
// 等待异步IO完成
while (aio_error(&aio_cb) == EINPROGRESS)
{
// 这里只是为了演示
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}