浅析I/O模型-select、poll、epoll

I/O流

1. 概念

   （1）c++中将数据的输入输出称之为流(stream)，在c++中，流被定义为类，成为流类(stream class)，其定义的对象为流对象。

   （2）文件，套接字(socket)，管道(pipe)等能够进行I/O操作的对象，可以被看做为流

2. 工作机制

   （1）大多数文件系统的默认I/O操作都是缓存I/O。在Linux的缓存I/O机制中，读取数据时，都会将数据先拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后将操作系统内核缓冲区的数据拷贝到应用程序的地址空间，写的过程则相反。

   （2）缓存I/O使用操作系统内核缓冲区，在一定程度上分离了应用程序空间和实际的物理设备，通过将数据写入缓冲区后，再一次性处理，减少了读盘的次数，从而提高了性能

I/O模型

1. 同步与异步：关注的是消息通信机制

   同步(synchronous)：调用者会一直“等待”被调用者返回消息，才能继续执行，在此期间，调用者不能做其它事

   异步(asynchronous)：被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态，在此期间，调用者可以边“等待”，边做其它事

2. 阻塞和非阻塞：关注调用者的状态

   阻塞(blocking)：调用者一直“等待”所处的状态

   非阻塞(blocking)：调用者能够边“等待”，边做其它事的状态

3. 同步I/O

   （1）阻塞式I/O：程序发出I/O请求，如果内核缓冲区为空，此时进行读操作，那么该程序就会阻塞

   （2）非阻塞式I/O：程序发出I/O请求，如果内核缓冲区为空，此时进行读操作，此时就会立刻返回一个错误

   （3）I/O复用

   ​ a. 这是一种机制，程序注册一组文件描述符给操作系统，监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。表示“我要监视这些fd是否有I/O事件发生，有了就告诉程序处理”。

   ​ b. 当多个I/O流共用一个等待机制时，该模型会阻塞进程，但是进程时阻塞在这种机制的系统调用上，不是阻塞在真正的I/O操作上

   ​ c. I/O多路复用需要和非阻塞I/O一起使用，非阻塞I/O和I/O多路复用式相对独立的。非阻塞I/O仅仅指流对象立刻返回，不会被阻塞；而I/O多路复用只是操作系统提供的一种便利的通知机制。

   （4）信号驱动式I/O

   ​ a. 用户进程可以通过系统调用注册一个信号处理程序，然后主程序可以继续向下执行，当有I/O操作准备就绪时，由内核通知触发一个SIGIO信号处理程序执行，然后将用户进程所需要的数据从内核空间拷贝到用户空间

   ​ b. 此模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知。

4. 异步I/O

   ​ a. 程序进程向内核发送I/O调用后，不用等待内核响应，可以继续接受其他请求，内核调用的I/O如果不能立即返回，内核会继续处理其他事物，直到I/O完成后将结果通知给内核

   ​ b. 信号驱动式IO是由内核通知我们何时启动一个IO操作，而异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成。

I/O复用模型

1. select

   select的大致工作流程：

   （1）采用数组组织文件描述符

   （2）通过遍历数组的方式，监视文件描述符的状态(可读，可写，异常)

   （3）如果没有可读/可写的文件描述符，进程会阻塞等待一段事件，超时就返回

   （4）当有一个可读/可写的文件描述符存在时，进程会从阻塞状态醒来

   （5）进行无差别轮询，找出能够操作的I/O流，若处理后，会移除对应的文件描述符

   select的缺点：

   （1）每次调用select，都需要把文件描述符集合从用户空间贝到内核空间，这个开销在I/O流很多时会很大

   （2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所文件描述符数组，这个开销在I/O流很多时也很大

   （3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

2. poll

   （1）采用链表组织文件描述符

   （2）原理和select一致

   （3）只是解决了支持的文件描述符受限的缺点

   （4）select和poll都是水平触发：找到可操作的I/O流并通知进程，但进程本次没有处理，文件描述符没有被移除，下次轮询时依旧会通知

3. epoll

   工作原理：

   （1）红黑树和就绪链表，红黑树用于管理所有的文件描述符，就绪链表用于保存有事件发生的文件描述符。

   （2）接收到I/O请求，会在红黑树查找是否存在，不存在就添加到红黑树中，存在则将对应的文件描述符放入就绪链表中

   （3）如果就绪链表为空，进程则阻塞否则遍历就绪链表，并通知应用进程处理文件描述符对应的I/O

   工作模式：

   （1）LT模式(水平触发)：检测到可处理的文件描述符时，通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。后续会再次通知

   （2）ET模式(边缘触发)：检测到可处理的文件描述符时，通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果本次不处理，则后续不再通知

参考资料

IO五种模型和select与epoll工作原理（引入nginx） - osc_1ont5xz2的个人空间 - OSCHINA - 中文开源技术交流社区

IO模型：同步、异步、阻塞、非阻塞 | 神奕的博客 (songlee24.github.io)

(3) io复用与epoll模型详解_个人文章 - SegmentFault 思否

(3) Linux IO模式及 select、poll、epoll详解_人云思云 - SegmentFault 思否

Linux 网络编程的5种IO模型：多路复用(select/poll/epoll) - 黄树超 - 博客园 (cnblogs.com)

(3) 网络编程——select模型（总结）_个人文章 - SegmentFault 思否

网络编程之IO模型与Epoll - 简书 (jianshu.com)

彻底搞懂epoll高效运行的原理 - 简书 (jianshu.com)

如果这篇文章说不清epoll的本质，那就过来掐死我吧！ （3） - 知乎 (zhihu.com)