四种IO模型

四种 IO 模型：

 

    首先需要明确，IO发生在 用户进程 与 操作系统 之间。可以是客户端IO也可以是服务器端IO。

• 阻塞IO（blocking IO）：

    在linux中，默认情况下所有socket都是blocking：kernel和用户都在阻塞等待数据。

 

• 非阻塞IO（non-blocking）：

       用户程序重复调用系统调用 recvfrom ，等待 return OK信号。 polling轮询

        为什么没有Block：用户进程发出read请求后 ，如果kernel中的数据还没有准备好，那么就会立即返回来一个error信号。对于用户角度来讲他并没有等待，而是立即就得到了一个结果。接下来，用户进程就会不断主动询问kernel有没有准备好。

 

 

• IO多路复用（IO multiplexing）

    常用的方法就是 select 和 epoll 。这种方法也和叫作 事件驱动IO。

这种方式的好处在于：kernel的单个process可以同时处理多个网络连接IO。将轮询的工作统一交给kernel内核监管的函数select／epoll（该函数由用户态 调用，kernel监管）函数。用户可以将多个socket注册到同一个select中，kernel来监管select中注册的IO，一旦发任何一个socket现数据准备好了，就将通知用户process，调用read将数据从kernel拷贝到用户进程。这样用户process就从轮询中解放出来，只需要静静地等待select函数返回即可。当然，这个过程中，用户也是block的，虽然是block的（被select block） 但是什么都不做的block和不断去 “轮询”的block，还是不同的！这样可以减少用户process的负担。

 

这里就要插入另外一个内容：select、poll、epoll

 

select主要的缺陷有三个：

1）最大并法数限制：受限于一个进程能够打开的FD（文件描述符）的个数。在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：#define __FD_SETSIZE    1024  表示select最多同时监听1024个，因此最大并发数就被限制了。

2）效率问题：select每次都会线性扫描【类似数组来存储】全部的FD集合，这样效率就会呈线形下降。

3）内核／用户空间内存拷贝。

 

poll 基本等于select 后两点都没有改善

 

epoll 

1. int epoll_create(int size);
2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

 

对比select 就有如下优点：

1)   最大并发数不受限制。上限是：当前系统中打开文件的最大数目。

2）效率高。因为epoll只管当前活跃的socket，epoll维护一颗红黑树。那些注册了的socket或者说是文件描述符，就会高效的在树上插入或者删除。

        epoll的高效就在于（引用）：“epoll_ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的句柄给我们用户。这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。

        而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已，如何能不高效？！

        那么准备就绪的列表list是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl的时候，除了把socket放到epoll文件系统里file对应的红黑树上之外，还会在内核的中断处理程序上注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪的list中，也就是当socket有数据到达后，内核会把网卡上的数据copy到内核中后就把socket插入到准备列表list中。”

        最后，总结一下：

1 当用户调用epoll_create后，内核会在内存cache中创建一个红黑树和就绪列表

2 当用户调用epoll_ctl注册 socket（文件句柄）时，内核会在红黑树上查找是否有该句柄。如果存在，则立即返回。如果没有，那么在红黑树的节点上增加，然后在内核注册回调函数，用于当中断来临的时候，向中断就绪链表中插入数据。

3 当用户调用epoll_wait时，立即返回就绪列表中的数据。

 

关于epoll的LT（水平触发）和ET（边缘触发）两种工作模式：

LT：只要改句柄上的事件没有处理完，那就此此返回。

ET：只返回一次。

实现的原理在于对list就绪列表的清空机制上。清空后，如果是LT且未处理完，就再放回到就绪列表中。

 

参考：http://blog.csdn.net/hdutigerkin/article/details/7517390

 

 

 

 

• 异步IO（Asynchronous IO）

    用户发起read之后，服务器端kernel会立刻返回。用户process就会去做其他事情去了。这种情况下，对于服务器来说，接收到每一个IO请求都需要开辟一个线程去专门去处理。

3）用户与内核共享内存，no more 内存拷贝。

 

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最后说一说，

 

1）阻塞Block与非阻塞Nonblock的区别：

        Block会让用户进程Block住直到请求的IO操作完成；NonBlock会在kernel正在准备数据的时候，立即返回一个结果，知道这个结果是OK就绪信号，那么接下来进程读取数据，done；

 

2）同步synchronous与异步asynchronous的区别：

首先定义：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked; 

        上面所讲的block IO 、Non—block IO、IO 多路复用都属于 同步IO。Non-block 与其他方式一样，这里所说的block是当发生IO operation的时候，也就是调用 recv_from系统调用时，会发生block，以完成数据从内核态copy到用户态的过程。以上三种方式都是会block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

各个IO Model的比较如图所示：

 

 

最后，再举几个不是很恰当的例子来说明这四个IO Model:
有A，B，C，D四个人在钓鱼：
A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；
B的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；
C用的鱼竿和B差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；
D是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给D发个短信。

参考：http://blog.csdn.net/fuyuehua22/article/details/38304495