Linux高级I/O机制

一、课程目标

I/O常常是现代应用程序的性能瓶颈，为突破这个瓶颈，现代操作系统不断推出新的I/O机制，使高性能的I/O编程变成可能。本次课程将讨论Linux下几种高性能I/O的机制，这些功能都是基于成熟的系统调用，通过本次课程的学习，学员将掌握以下内容：

• 传统File I/O；
• 散/聚 I/O (Scatter/Gather I/O)；
• 阻塞式和非阻塞式I/O；
• I/O多路复用；
• select() ,  poll()；
• Event poll (epoll)；
• 异步I/O；
• 运用I/O多路复用机制和异步I/O机制提高网络应用的并发响应和性能。

二、参训要求

参加本次课程的学员须具备以下能力：

• 本次课程使用 C语言 教学，所以学员需拥有较好的C语言基础；
• 能熟练使用常用的Linux命令；
• 由于本次课程涉及socket编程，所以学员需有Linux下socket编程的经历；
• 能熟练使用gcc、gdb、熟练撰写makefile；
• 最好熟练使用vi、emacs等文本编辑器其中的一种。

三、课程实践环境

• 学员自备电脑
• 操作系统：GNU/Linux 2.6+（建议使用Redhat AS 5+或Ubuntu、Fedora）
• 编译器：GCC v4.1+、GDB v7.0+
• 可选IDE：Eclipse CDT

四、课程大纲

本次课程由以下几个部分构成：

1、预备知识

• 理解：UNIX下一切皆文件
• I/O的实质和I/O的步骤

2、文件I/O

• Linux I/O系统调用与C标准库stdio的比较
• I/O系统调用: open(), close(), read(), write()
• 控制I/O的Buffer
• 读写指针的定位：lseek()
• I/O控制：ioctl()
• 原子操作和数据竞态
• 文件控制: fcntl()
• 文件打开的状态标志(status flags)
• 文件描述符
• 复制文件描述符 (dup(), dup2())

3、散/聚I/O (Scatter/Gather I/O)

• 什么是散/聚 I/O，为什么需要散/聚 I/O
• 系统调用：readv(), writev()

4、I/O多路复用 (I/O Multiplexing)

• 什么是I/O多路复用
• I/O多路复用和多线程并发处理I/O的区别
• select(), poll()：传统的UNIX I/O多路复用机制
  • select(), pselect()
  • poll(), ppoll()
• Epoll：Linux系统新的I/O多路复用机制
  • Event poll介绍
  • 创建epoll实例
  • 控制epoll
  • 等待I/O事件
  • epoll的两种触发方式：水平触发(level-triggered)、边缘触发(edge-triggered)

5、异步I/O

• 关于同步I/O：阻塞式I/O和非阻塞式I/O
• 什么异步I/O
• 理解同步I/O和异步I/O的差别
• 异步I/O重要数据结构：异步I/O控制块--struct aiocb
• 异步读、写操作：aio_read(), aio_write()
• 检查异步操作的结果：aio_error(), aio_return()
• 取消异步操作：aio_cancel()
• 异步文件同步：aio_fsync()

6、使用高性能I/O机制提高网络服务端应用的性能

• 为什么传统的I/O机制会导致服务端应用的性能瓶颈
• 使用select()和poll()实现ACE中的Reactor模式
• 使用epoll实现ACE中的Reactor模式
• 在网络应用中使用异步I/O机制：模拟ACE中Proactor模式和框架
• 实例演示，区别传统I/O机制和高性能I/O机制对于服务端应用的重要性

五、时间安排

课程时间：2天，以每天6小时计，具体安排如下：

• Day1
  • 1 - 预备知识
  • 2 - 文件I/O
  • 3 - 散/聚 I/O
  • 4 - I/O多路复用
• Day2
  • 5 - 异步I/O
  • 6 - 高性能I/O机制和网络服务端应用

六、课程资源

      可获取的课程资源见：教学资源。