Linux 系統中最常用的輸入/輸出（I/O）模型是同步 I/O。在這個模型中，當請求發出之後，應用程序就會阻塞，直到請求滿足為止。這是很好的一種解決方案，因為調用應用程序在等待 I/O 請求完成時不需要使用任何中央處理單元（CPU）。但是在某些情況下，I/O 請求可能需要與其他進程產生交疊。可移植操作系統接口（POSIX）異步 I/O（AIO）應用程序接口（API）就提供了這種功能。
Linux 異步 I/O 是 2.6 版本內核的一個標准特性，但是我們在 2.4 版本內核的補丁中也可以找到它。AIO 基本思想是允許進程發起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍後或在接收到 I/O 操作完成的通知時，進程就可以檢索 I/O 操作的結
果。
select()函數所提供的功能（異步阻塞 I/O）與 AIO 類似，它對通知事件進行阻塞，而不是對 I/O 調用進行阻塞。
在異步非阻塞 I/O 中，我們可以同時發起多個傳輸操作。這需要每個傳輸操作都有惟一的上下文，這樣才能在它們完成時區分到底是哪個傳輸操作完成了。在 AIO 中，通過 aiocb（AIO I/O Control Block）結構體進行區分。這個結構體包含了有關傳輸的所有信息，包括為數據准備的用戶緩沖區。在產生 I/O（稱為完成）通知時，aiocb 結構就被用來惟一標識所完成的 I/O 操作。
AIO 系列 API 被 GNU C 庫函數所包含，它被 POSIX.1b 所要求，主要包括如下函數。
1．aio_read
aio_read()函數請求對一個有效的文件描述符進行異步讀操作。這個文件描述符可以表示一個文件、套接字甚至管道
aio_read 函數的原型如下：
int aio_read( struct aiocb *aiocbp );
aio_read()函數在請求進行排隊之後會立即返回。如果執行成功，返回值就為 0；如果出現錯誤，返回值就為?1，並設置 errno 的值。
2．aio_write
aio_write()函數用來請求一個異步寫操作，其函數原型如下：
int aio_write( struct aiocb *aiocbp );
aio_write()函數會立即返回，說明請求已經進行排隊（成功時返回值為 0，失敗時返回值為?1，並相應地設置 errno。
3．aio_error
aio_error 函數被用來確定請求的狀態，其原型如下：
int aio_error( struct aiocb *aiocbp );
這個函數可以返回以下內容。
EINPROGRESS：說明請求尚未完成。
ECANCELLED：說明請求被應用程序取消了。
-1：說明發生了錯誤，具體錯誤原因由 errno 記錄。
4．aio_return
異步 I/O 和標准塊 I/O 之間的另外一個區別是不能立即訪問這個函數的返回狀態，因為並沒有阻塞在 read()調用上。在標准的 read()調用中，返回狀態是在該函數返回時提供的。但是在異步 I/O 中，我們要使用 aio_return()函數。這個函數的原型如下：
ssize_t aio_return( struct aiocb *aiocbp );
只有在 aio_error()調用確定請求已經完成（可能成功，也可能發生了錯誤）之後，才會調用這個函數。aio_return()的返回值就等價於同步情況中 read 或 write 系統調用的返回值（所傳輸的字節數，如果發生錯誤，返回值就為?1）。
下面代碼清單給出了用戶空間應用程序進行異步讀操作的一個例程，它首先打開文件，然後准備 aiocb 結構體，之後調用 aio_read（&my_aiocb）進行提出異步讀請求，當 aio_error(&my_aiocb) = = EINPROGRESS 即操作還在進行中時，一直等待，結束後通過 aio_return（&my_aiocb）獲得返回值。
1#include
2...
3intfd,ret;
4structaiocbmy_aiocb;
5
6fd=open("file.txt",O_RDONLY);
7if(fd<0)
8perror("open");
9
10/*清零aiocb結構體*/
11bzero((char*)&my_aiocb,sizeof(structaiocb));
12
13/*為aiocb請求分配數據緩沖區*/
14my_aiocb.aio_buf=malloc(BUFSIZE+1);
15if(!my_aiocb.aio_buf)
16perror("malloc");
17
18/*初始化aiocb的成員*/
19my_aiocb.aio_fildes=fd;
20my_aiocb.aio_nbytes=BUFSIZE;
21my_aiocb.aio_offset=0;
22
23ret=aio_read(&my_aiocb);
24if(ret<0)
25perror("aio_read");
26
27while(aio_error(&my_aiocb)==EINPROGRESS)
28;
29
30if((ret=aio_return(&my_iocb))>0)
31{
32/*獲得異步讀的返回值*/
33}
34else
35{
36/*讀失敗，分析errorno*/
37}
用戶可以使用 aio_suspend()函數來掛起（或阻塞）調用進程，直到異步請求完成為止，此時會產生一個信號，或者發生其他超時操作。調用者提供了一個 aiocb 引用列表，其中任何一個完成都會導致 aio_suspend()返回。aio_suspend 的函數原型如下：
1structaioct*cblist[MAX_LIST] 2/*清零aioct結構體鏈表*/ 3bzero((char*)cblist,sizeof(cblist)); 4/*將一個或更多的aiocb放入aioct結構體鏈表*/ 5cblist[0]=&my_aiocb; 6ret=aio_read(&my_aiocb); 7ret=aio_suspend(cblist,MAX_LIST,NULL); aio_cancel()函數允許用戶取消對某個文件描述符執行的一個或所有 I/O 請求。其原型如下：
int aio_cancel( int fd, struct aiocb *aiocbp );
如果要取消一個請求，用戶需提供文件描述符和 aiocb 引用。如果這個請求被成功取消了，那麼這個函數就會返回 AIO_CANCELED。如果請求完成了，這個函數就會返回AIO_NOTCANCELED。 如果要取消對某個給定文件描述符的所有請求，用戶需要提供這個文件的描述符以及一個對 aiocbp 的 NULL 引用。如果所有的請求都取消了，這個函數就會返回AIO_CANCELED ；如果至少有一個請求沒有被取消，那麼這個函數就會返回AIO_NOT_CANCELED；如果沒有一個請求可以被取消，那麼這個函數就會返回AIO_ALLDONE。然後，可以使用 aio_error()來驗證每個 AIO 請求，如果某請求已經被取消了，那麼 aio_error()就會返回?1，並且 errno 會被設置為 ECANCELED。 lio_listio()函數可用於同時發起多個傳輸。這個函數非常重要，它使得用戶可以在一個系統調用（一次內核上下文切換）中啟動大量的 I/O 操作。lio_listio API 函數的原型如下：
int lio_listio( int mode, struct aiocb *list[], int nent, struct sigevent *sig );
mode 參數可以是 LIO_WAIT 或 LIO_NOWAIT。LIO_WAIT 會阻塞這個調用，直到所有的 I/O 都完成為止。在操作進行排隊之後，LIO_NOWAIT 就會返回。list 是一個 aiocb 引用的列表，最大元素的個數是由 nent 定義的。如果 list 的元素為 NULL，lio_listio()會將其忽略。
代碼清單給出了用戶空間異步 I/O 操作時使用 lio_listio()函數的例子。
使用信號作為 AIO 的通知
上面講述的信號作為異步通知的機制在 AIO 中仍然是適用的，為使用信號，使用 AIO 的應用程序同樣需要定義信號處理程序，在指定的信號被產生時會觸發調用這個處理程序。作為信號上下文的一部分，特定的 aiocb 請求被提供給信號處理函數用來區分 AIO 請求。
下面代碼清單給出了使用信號作為 AIO 異步 I/O 通知機制的例子。
使用回調函數作為 AIO 的通知
除了信號之外，應用程序還可提供一個回調（Callback）函數給內核，以便 AIO 的請求完成後內核調用這個函數。
一般來說，下層對上層（如內核對應用）的調用都稱為“回調”，而上層對下層（如進行 Linux 系統調用）的調用稱為“調用”，如圖 9.3 所示。
代碼清單給出了使用回調函數作為 AIO 異步 I/O 請求完成的通知機制的例子。
proc 文件系統包含了兩個虛擬文件，它們可以用來對異步 I/O 的性能進行優化。
/proc/sys/fs/aio-nr 文件提供了系統范圍異步 I/O 請求的數目。
/proc/sys/fs/aio-max-nr 文件是所允許的並發請求的最大個數，最大個數通常是 64KB，這對於大部分應用程序來說都已經足夠了。
AIO 與設備驅動
在內核中，每個 I/O 請求都對應於一個 kiocb 結構體，其 ki_filp 成員指向對應的file 指針，通過 is_sync_kiocb()可以判斷某 kiocb 是否為同步 I/O 請求，如果返回非真，表示為異步 I/O 請求。
塊設備和網絡設備本身是異步的，只有字符設備必須明確表明應支持 AIO。AIO對於大多數字符設備而言都不是必須的，只有極少數設備需要。比如，對於磁帶機，由於 I/O 操作很慢，這時候使用異步 I/O 將改善性能。 字符設備驅動程序中file_operations 包含 3 個與 AIO 相關的成員函數，如下所示：
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *iocb, char *buffer, size_t count, loff_t offset);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *iocb, const char *buffer, size_t count, loff_t offset);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *iocb, int datasync);
aio_read()和 aio_write()與 file_operations 中的 read()和 write()中的 offset 參數不同，它直接傳遞值，而後者傳遞的是指針，這是因為 AIO 從來不需要改變文件的位置。
aio_read()和 aio_write()函數本身不一定完成了讀和寫操作，它只是發起、初始化讀和寫操作，下面代碼清單給出了驅動程序中aio_read()和aio_write()函數的實現例子。