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】

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。

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
• 用 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）、fd、addr（iovec*）、len、off
• 设置 user_data 为操作对象指针，完成时可直接回调
• 用 io_uring_submit(&ring) 提交，或异步唤醒（配合 IORING_SETUP_IOPOLL 或 IORING_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 lpNumberOfBytesTransferred 和 lpCompletionKey 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 errno 或 GetLastError()）

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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