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c++如何实现一个简单的异步文件I/O库_c++ io_uring/IOCP封装【底层】

穿越時空

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发布时间:2025-12-20 16:08:02

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来源于php中文网

原创

核心是用io_uring或IOCP封装统一、线程安全的C++异步文件I/O接口:定义AsyncOperation基类及OpType枚举,Linux下通过io_uring_get_sqe提交SQE并用user_data关联操作对象,Windows下绑定句柄到IOCP并利用OVERLAPPED嵌入上下文,跨平台通过宏分发API,RAII管理资源与生命周期。

c++如何实现一个简单的异步文件i/o库_c++ io_uring/iocp封装【底层】

直接用 io_uring(Linux)或 IOCP(Windows)写异步文件 I/O 库,核心是把系统原语封装成统一、易用、线程安全的 C++ 接口。不依赖 Boost.Asio 或 libuv,从底层出发更可控,也更适合高性能场景。

一、抽象统一的异步操作模型

先定义一个通用的异步操作基类,隐藏平台差异:

  • 每个操作(读/写/打开/关闭)继承自 AsyncOperation,含回调函数、缓冲区、偏移、字节数等字段
  • enum class OpType { Read, Write, Open, Close } 统一标识类型
  • 操作对象生命周期由库管理(例如用 std::shared_ptr 持有,完成时自动析构)

二、Linux 下封装 io_uring

初始化一个全局或 per-thread 的 io_uring 实例(io_uring_queue_init(1024, &ring, 0)),关键点:

  • 提交前调用 io_uring_get_sqe(&ring) 获取 SQE,填充 opcode(如 IORING_OP_READV)、fdaddriovec*)、lenoff
  • 设置 user_data 为操作对象指针,完成时可直接回调
  • io_uring_submit(&ring) 提交,或异步唤醒(配合 IORING_SETUP_IOPOLLIORING_SETUP_SQPOLL 优化)
  • CQE 完成后,从 user_data 取出操作对象,执行回调并清理

三、Windows 下封装 IOCP

IOCP 更依赖重叠 I/O 结构体和句柄绑定:

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  • 每个文件句柄需用 CreateIoCompletionPort 绑定到同一个完成端口
  • 读/写操作使用 ReadFileEx/WriteFileEx(需 UI 线程)或更推荐的 ReadFile/WriteFile + OVERLAPPED(配合 GetQueuedCompletionStatus
  • OVERLAPPED 结构体末尾可追加自定义数据(如操作对象指针),完成时通过 lpNumberOfBytesTransferredlpCompletionKey 还原上下文
  • 用独立线程池调用 GetQueuedCompletionStatus,解包后触发回调

四、跨平台调度与线程模型

对外提供统一 API,如 async_read(fd, buf, offset, callback),内部路由到对应后端

  • 编译期用 #ifdef __linux__ / #ifdef _WIN32 分离实现,头文件保持一致接口
  • 避免阻塞主线程:所有提交和完成处理走 worker 线程(IOCP 自带;io_uring 可配 dedicated poller 线程或结合 epoll 唤醒)
  • 回调默认在 worker 线程执行;如需切回主线程(如 GUI 场景),提供 post_to_main(callback) 辅助函数
  • 错误统一转为 std::error_code(基于 errnoGetLastError()

基本上就这些。不复杂但容易忽略的是资源生命周期管理(比如文件句柄没及时 close、操作对象被提前释放)和线程安全(多个线程同时 submit、共享 ring 或 iocp handle)。做好 RAII 封装和引用计数,再加一层简单的 operation queue(用于批量提交或限流),就能跑得稳。

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