小编今天这篇文章给大家分享一下，工作中用到的一个高性能异步 I/O 模型: io_uring。小编个人认为这是用到的最强的异步 I/O~既然 io_uring 这么优秀，就让小编带你来学习一下其先进思想吧！在 Linux 系统中，I/O 性能一直是系统和应用性能优化的重要环节。传统的异步 I/O（如 epoll、aio）存在一些瓶颈和复杂性，而 Linux 内核从 5.1 版本开始引入了 io_uring，为高性能异步 I/O 提供了全新方案。往下看哈~io_uring 是 Linux 内核提供的一个 高性能、低延迟的异步 IO 框架。它的设计目标是：传统的异步 IO 每次提交 IO 请求都需要一次系统调用 (io_submit) 或多次切换用户/内核态，而 io_uring 可以通过共享环形缓冲区（ring buffer）批量提交和获取 IO 请求。内核与用户空间共享内存环形队列，使多线程高并发环境下的 IO 更高效。核心思想：通过内核和用户空间共享环形队列（submission queue或completion queue，简称SQ或CQ）减少系统调用开销，同时提供异步 IO 功能。io_uring 的核心是两个环形队列（SQ/CQ）+ 一个提交队列入口（SQE）数组，所有 I/O 操作都围绕这三个组件完成：1. 提交队列（Submission Queue，SQ）用户态向内核提交 I/O 任务（如读文件、写网络）的 “任务队列”，用户态将待执行的 I/O 操作描述符（SQE）放入该队列，内核从队列中取任务执行。- 环形队列（循环数组），用 head/tail 指针标记队列的读写位置（用户态只更新 tail，内核更新 head）；
- 队列元素是「提交队列项（Submission Queue Entry，SQE）」，每个 SQE 描述一个具体的 I/O 操作（如操作类型、文件描述符、数据缓冲区地址、偏移量等）；
- 共享内存实现：队列位于用户态与内核态共享的内存区域，无需系统调用即可向队列写入任务（仅需内存操作）。
2. 完成队列（Completion Queue，CQ）内核将已完成的 I/O 任务结果回写给用户态的 “结果队列”，用户态从该队列读取任务执行状态（成功 / 失败、实际读写字节数等）。- 同样是环形队列，用 head/tail 指针标记（内核更新 tail，用户态更新 head）；
- 队列元素是「完成队列项（Completion Queue Entry，CQE）」，每个 CQE 对应一个已完成的 SQE，包含操作结果（错误码、返回值）、SQE 的标识（user_data）等；
- 支持批量通知：内核可批量将多个完成的任务结果写入队列，减少用户态轮询开销。
3. SQE 数组（Submission Queue Entry Array）作用：存储所有待提交的 SQE 结构体，是 SQ 队列的 “数据池”——SQ 队列中实际存储的是 SQE 在数组中的索引，而非 SQE 本身，减少队列数据移动开销。 | |
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opcode | 操作类型（如 IORING_OP_READ 读文件、IORING_OP_WRITE 写文件、IORING_OP_ACCEPT 接受连接等） |
fd | |
addr | 用户态数据缓冲区地址（读操作：内核写入数据的地址；写操作：用户态待写入数据的地址） |
len | |
off | |
user_data | 用户自定义标识（用于关联 SQE 和 CQE，比如标记任务 ID） |
flags | 操作标志（如 IOSQE_IO_LINK 链式操作、IOSQE_ASYNC 强制异步） |
４. io_uring 核心工作流程（以文件读操作为例）- 初始化：调用 io_uring_queue_init() 创建 io_uring 实例，内核分配共享内存，初始化 SQ/CQ 队列和 SQE 数组；
- 获取空闲 SQE：调用 io_uring_get_sqe() 从 SQE 数组中获取一个空闲的 SQE；
- 填充 SQE：设置 SQE 的 opcode=IORING_OP_READ、fd（目标文件）、addr（用户态缓冲区）、len（读取长度）、off（文件偏移）、user_data（自定义标识）；
- 提交 SQE 到 SQ 队列：调用 io_uring_submit() 提交任务（本质是更新 SQ 队列的 tail 指针，通知内核有新任务）；
- 内核执行任务：内核从 SQ 队列取出 SQE，执行读文件操作，将数据写入用户态缓冲区；
- 内核写入 CQE：操作完成后，内核创建对应的 CQE（包含结果、user_data），写入 CQ 队列，更新 CQ 队列的 tail 指针；
- 用户态获取结果：调用 io_uring_wait_cqe()/io_uring_peek_cqe() 从 CQ 队列读取 CQE，判断操作是否成功，处理数据；
- 释放 CQE：调用 io_uring_cqe_seen() 更新 CQ 队列的 head 指针，标记该 CQE 已处理。
#include<liburing.h>structio_uring ring;io_uring_queue_init(QUEUE_DEPTH, &ring, 0);
- io_uring_queue_init 会创建 SQ 和 CQ 并映射到用户空间。
- liburing 是官方推荐的用户态封装库，更易使用。
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, size, offset);io_uring_submit(&ring);
- io_uring_get_sqe：获取一个 submission queue entry。
- io_uring_prep_read/write：准备具体 IO 请求。
struct io_uring_cqe *cqe;io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);int res = cqe->res;io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
- io_uring_wait_cqe：阻塞等待完成事件。
- io_uring_cqe_seen：告诉内核该事件已处理。
- io_uring_peek_cqe：非阻塞检查 CQ。
- io_uring_register_buffers：注册固定内存缓冲区，减少内存拷贝。
- io_uring_register_files：注册文件描述符，减少重复查表开销。
处理成千上万并发 socket，替代 epoll + read/write。结合 IORING_OP_TIMEOUT 支持异步定时操作。⚡ 实际案例：Facebook 的 Seastar 框架在 Linux 上使用 io_uring 构建高性能网络服务，每秒处理百万级请求。#include<liburing.h>#include<fcntl.h>#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#define QUEUE_DEPTH 32#define BUF_SIZE 4096intmain(){ struct io_uring ring; io_uring_queue_init(QUEUE_DEPTH, &ring, 0); int fd = open("test.txt", O_RDONLY); if (fd < 0) return 1; char *buffer = malloc(BUF_SIZE); struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring); io_uring_prep_read(sqe, fd, buffer, BUF_SIZE, 0); io_uring_submit(&ring); struct io_uring_cqe *cqe; io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe); printf("Read %d bytes\n", cqe->res); io_uring_cqe_seen(&ring, cqe); free(buffer); close(fd); io_uring_queue_exit(&ring); return 0;}
初始化 ring → 获取 SQE → 准备读操作 → 提交 → 等待完成 → 处理结果。io_uring 是 Linux 异步 IO 的现代化解决方案，特点：丰富接口：支持文件、网络、定时器等多种 IO 类型。可优化空间大：固定缓冲区、注册文件、批量提交、多线程分离。相比传统 epoll + read/write，io_uring 在高并发、大 IO 场景下性能优势明显，正逐步成为 Linux 高性能服务器和数据库的首选 IO 框架。
