传统 I/O 流程

当调用 write(fd, buffer, size):

1. CPU 暂停你的程序，保存所有寄存器状态。
2. CPU 从用户态切换到内核态。
3. 内核检查权限、查找文件描述符，然后把数据从内存拷贝到内核缓冲区，然后交给网卡或硬盘。
4. CPU 切换回用户态，恢复寄存器，你的程序继续运行。

内核态切换和数据拷贝是两个消耗性能的行为，不但是操作本身，还有带来的流水线打断和 Cache 污染。

io_uring

io_uring 的核心改进在于使用了共享内存环：在用户态和内核态之间通过 mmap 映射了两块共享内存区域，分别实现了两个环形队列。

• SQ (Submission Queue, 提交队列)：用于存放 I/O 请求，用户态程序将需要执行的操作放到这个队列里，由内核提取并执行。
• CQ (Completion Queue, 完成队列)：用于存放 I/O 完成结果，内核完成了 SQ 中的任务后，会把完成回执放入这个队列，用户态程序可以通过读取这个队列来获取执行结果。

假设用户态程序要连续执行 1000 次连续的、快速的数据写入，如果用传统的 I/O 流程，需要进行 2000 次用户态和内核态之间的切换。

但如果是 io_uring，只需要：

1. 把 1000 个写入一次性写入 SQ。
2. 调用一次 io_uring_enter()，通知内核开始任务。
3. 内核完成 I/O 操作后，会把完成回执写入 CQ。
4. 按照不同的状态，完成所有任务后 io_uring 会有不同的行为：
   • 阻塞等待：如果调用 io_uring_enter 的时候设置了 min_complete > 0，用户态线程会进入睡眠状态，等到 io_uring 完成至少 min_complete 个任务后会被唤醒。
   • 轮询检测：如果程序在同时做其他运算，可以在用户态循环检查 CQ 队列的 Head != Tail，这样就不用等待系统调用。
5. 读取到 CQ 中的数据并处理完后，通过 io_uring_cq_advance 更新 CQ 的 Head 指针，告诉内核这个回执已经被消费了。

从这个流程就可以看出 io_uring 为什么快的端倪：

1. 零拷贝：请求结构体和结果结构体从来没有在内核态和用户态之间进行复制，他们一直存在于共享内存里。
2. 无锁设计：通过单生产者-单消费者的环形队列，配合原子操作和内存屏障实现了无锁。