说到高性能网络编程，我们第一时间想到的是epoll机制，epoll很长一段时间统治着整个网络编程江湖，然而io_uring的出现，似乎在撼动epoll的统治地位，今天我们来揭开io_uring的神秘面纱。
1.io_uring简介
io_uring是一个Linux内核的异步I/O框架，它提供了高性能的异步I/O操作，io_uring的目标是通过减少系统调用和上下文切换的开销来提高I/O操作的性能。
io_uring通过使用环形缓冲区和事件驱动的方式来实现高效的异步I/O操作。
io_uring的设计使得应用程序可以同时处理大量的I/O操作，从而提高系统的吞吐量和响应速度。
2.io_uring实现原理
io_uring整体架构如下：
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2.1基础概念
- SQE：提交队列项，表示IO请求。
- CQE：完成队列项，表示IO请求结果。
- SQ：Submission Queue，提交队列，用于存储SQE的数组。
- CQ：Completion Queue，完成队列，用于存储CQE的数组。
- SQ Ring：SQ环形缓冲区，包含SQ，头部索引（head），尾部索引（tail），队列大小等信息。
- CQ Ring：CQ环形缓冲区，包含SQ，头部索引（head），尾部索引（tail），队列大小等信息。
- SQ线程：内核辅助线程，用于从SQ队列获取SQE，并提交给内核处理，并将IO请求结果生成CQE存储在CQ队列。
2.2 io_uring系统调用
- io_uring_setup()：用于初始化io_uring环境，创建io_uring实例。
- io_uring_enter()：用于提交和等待io_uring操作的系统调用，可以指定提交的操作数量和等待的超时时间。
- io_uring_register()：用于注册文件描述符或事件文件描述符到io_uring实例中，以便进行I/O操作。
2.3 liburing库
liburing是一个用于Linux的用户空间库，用于利用io_uring接口进行高性能的异步I/O操作，它提供了一组函数和数据结构，使开发者能够更方便地使用io_uring接口。
- io_uring_queue_init：初始化一个io_uring队列。
- io_uring_register：将文件描述符注册到io_uring队列中。
- io_uring_prep_read：准备一个读取操作。
- io_uring_prep_write：准备一个写入操作。
- io_uring_submit：提交一个或多个操作到io_uring队列中。
- io_uring_wait_cqe：等待一个完成的操作。
- io_uring_cqe_seen：标记一个完成的操作已经被处理。
- io_uring_queue_exit：关闭并释放io_uring队列。
2.4 工作流程
3.内核实现
3.1 创建io_uring对象
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用户程序通过io_uring_setup系统调用创建和初始化io_uring对象，io_uring对象对应于struct io_ring_ctx结构体对象。
io_uring_setup主要工作：
- 创建struct io_ring_ctx对象并初始化。
- 创建struct io_urings对象并初始化，注意此时已完成CQ和所有CQE创建。
- 创建SQ和所有SQE并初始化。
- 如果struct io_ring_ctx对象flags参数设置IORING_SETUP_SQPOLL，则创建SQ线程。
3.2 fd绑定io_uring对象
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已创建的io_ring对象需要和fd进行绑定， 以便能够通过fd找到io_uring对象，创建一个新的file，file private_data成员指向io_ring对象，申请一个未使用的文件描述符fd，fd映射至file，并存储在进程已打开文件表中。
注意：mmap内存映射需要用到该fd。
3.3 io_uring对象内存映射
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通过io_uring_setup系统调用创建完io_uring对象后，用户程序还不能直接访问io_uring对象，此时用户程序需要通过mmap函数将io_uring对象SQ，CQ以及head和tail等相关内存空间映射出来。
完成mmap内存映射后，io_uring对象相关内存空间成为用户程序和内核共享内存空间，用户程序可以直接访问io_uring对象，不再需要通过执行系统调用访问，很大程度上提高了系统性能。
3.4 提交IO请求
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SQ Ring中有两个成员head（头部索引）和tail（尾部索引），头部索引指向SQ队列第一个已提交IO请求，尾部索引指向SQ下一个空闲SQE。
提交IO请求，只需要将tail指向的SQE填充IO请求信息，并让tail自增1，指向下一个空闲SQE。
注意：head和tail不是直接指向SQ数组，而是需要通过head&mask和tail &mask操作指向SQ数组，mask数组为数组长度减1，因为数组有固定大小，所以需要通过&mask方式防止越界访问数组，这种方式可以让数组形成一个环形缓冲区。
3.5 等待IO请求完成
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IO请求的处理有两种方式：
- 方式1：SQ线程从SQ队列中获取SQE（已提交IO请求），并发送给内核处理。
- 方式2：用户程序通过io_uring_enter系统调用从SQ队列中获取SQE（已提交IO请求），并发送给内核处理。
从SQ队列获取SQE只需要获取SQ Ring head指向的SQE，并让head自增指向下一个SQE即可。
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内核处理完IO请求后，SQ线程会申请CQ Ring tail指向的CQE存储IO请求结果，tail自增1指向下一个空闲CQE。
3.6 获取IO请求结果
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用户程序通过判断CQ Ring head和tail之间的差值，可以检测到是否有已完成IO请求，如果有已完成IO请求（CQE），获取CQ Ring head指向CQE，获取IO请求结果。
3.7 释放已完成IO请求
释放已完成IO请求只需要将CQ Ring head指针自增1指向下一个CQE即可，这样做的目的是防止重复获取IO请求结果。
io_uring为什么高效？
核心原因：io_uring通过mmap内存映射大大减少了系统调用，在高并发场景下，系统调用非常损耗系统性能。
其他原因：
- 减少拷贝：io_uring通过共享内存减少用户程序和内核数据拷贝。
- 批量操作：io_uring支持批量操作，一次性可以提交多个I/O请求，减少系统调用的次数，提高系统效率。
- 无锁环形队列：io_uring采用无锁队列实现用户程序与内核对共享内存的高效访问。
