IO和零拷贝

I/O介绍

I/O主要为：网络IO（本质是socket文件读取）、磁盘IO

每次IO，都要经由两个阶段：

　　第一步：将数据从文件先加载至内核内存空间（缓冲区），等待数据准备完成，时间较长

　　第二步：将数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程的内存中，时间较短

I/O模型

同步/异步：关注的是消息通信机制

　　同步：synchronous，调用者等待被调用者返回消息，才能继续执行

　　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

阻塞/非阻塞：关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

　　阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起

　　非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成，最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起

注意：同步/异步、阻塞/非阻塞是两组针对IO的处理逻辑，在这两对逻辑上建立起了不同的IO模型，他们本身并不是I/O模型。

I/O模型分类：

发起系统调用的是运行在系统上的某个应用的进程、对象是磁盘上的数据、获取数据需要通过I/O、整个过程就是应用等待获取磁盘数据。针对整个过程中应用进程的状态不同，可以分为：

　　阻塞型

　　非阻塞型

　　复用型

　　信号驱动型

　　异步

一：阻塞I/O模型：在等待数据和数据复制两个阶段都处于阻塞状态

1、阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞

2、用户线程通过系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作。

用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够

3、优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源

4、缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，这种模型在实际生产中很少使用

非阻塞IO模型：在等待数据和数据复制两个阶段都处于阻塞状态

1、用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。即 “轮询”机制

2、存在两个问题：如果有大量文件描述符都要等，那么就得一个一个的read。这会带来大量的Context Switch（read是系统调用，每调用一次就得在用户态和核心态切换一次）。轮询的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长，程序响应延迟就过大；设的太短，就会造成过于频繁的重试，干耗CPU而已

3、是比较浪费CPU的方式，一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性

IO多路复用模型：最常用

重点在于select，select可以监控多个IO上是否已有IO操作准备就绪，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而不像阻塞IO那种，一次只能监控一个IO.。

1、IO多路复用（IO Multiplexing) ：是一种机制，程序注册一组socket文件描述符给操作系统，表示“我要监视这些fd是否有IO事件发生，有了就告诉程序处理”

2、IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，就通知该进程

3、多个连接共用一个等待机制，本模型会阻塞进程，但是进程是阻塞在select或者poll这两个系统调用上，而不是阻塞在真正的IO操作上

4、用户首先将需要进行IO操作添加到select中，同时等待select系统调用返回。当数据到达时，IO被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行

5、IO多路复用是最常使用的IO模型，但是其异步程度还不够“彻底”，因它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO模型，而非真正的异步IO

信号驱动IO：signal-driven I/O

1、用户进程可以通过sigaction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IO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

2、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

3、对于 TCP 而言，信号驱动的 I/O 方式近乎无用，因为导致这种通知的条件为数众多，每一个来进行判别会消耗很大资源，与前几种方式相比优势尽失

4、优点：线程并没有在等待数据时被阻塞，可以提高资源的利用率

5、缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通

异步IO模型

异步IO与信号驱动IO最主要的区别是信号驱动IO是由内核通知应用程序何时可以进行IO操作，而异步IO则是由内核告诉用户线程IO操作何时完成。信号驱动IO当内核通知触发信号处理程序时，信号处理程序还需要阻塞在从内核空间缓冲区拷贝数据到用户空间缓冲区这个阶段，而异步IO直接是在第二个阶段完成后，内核直接通知用户线程可以进行后续操作了

由 POSIX 规范定义，应用程序告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区）完成后通知应用程序

优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠

缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入，目前AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时以 IO 复用模型模式+多线程任务的架构基本可以满足需求

五种I/O模型对比

这五种 I/O 模型中，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优前四种属于同步I/O，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配

I/O模型的具体实现

主要实现方式有以下几种：

Select：Linux实现对应，I/O复用模型，BSD4.2最早实现，POSIX标准，一般操作系统均有实现，httpd使用

Poll：Linux实现，对应I/O复用模型，System V unix最早实现

Epoll：Linux特有，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型的某些特性，nginx使用

Kqueue：FreeBSD实现，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型某些特性

/dev/poll：SUN的Solaris实现，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型的某些特性

Iocp Windows实现，对应第5种（异步I/O）模型

select/poll/epoll

1、三种实现方式的对比。

①三种都是I/O多路复用模型的是实现

②epoll在等待数据阶段，使用了信号驱动的特性IO效率高。才使得nginx支持高并发。

2、三种实现方式的介绍

Select：

POSIX所规定，目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点，本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理

缺点

①单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义FD_SETSIZE，再重新编译内核实现，但是这样也会造成效率的降低

②单个进程可监视的fd数量被限制，默认是1024，修改此值需要重新编译内核

③对socket是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低

④select 采取了内存拷贝方法来实现内核将 FD 消息通知给用户空间，这样一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll

本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态

其没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的

大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义

poll特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd

边缘触发：只通知一次

epoll：

在Linux 2.6内核中提出的select和poll的增强版本支持水平触发LT和边缘触发ET，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次

使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知

优点:

没有最大并发连接的限制：能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存能监听约10万个端口)，具体查看/proc/sys/fs/file-max，此值和系统内存大小相关

效率提升：非轮询的方式，不会随着FD数目的增加而效率下降；只有活跃可用的FD才会调用callback函数，即epoll最大的优点就在于它只管理“活跃”的连接，而跟连接总数无关

内存拷贝，利用mmap(Memory Mapping)加速与内核空间的消息传递；即

epoll使用mmap减少复制开销

零拷贝

传统Linux中 I/O 的问题

传统的 Linux 系统的标准 I/O 接口（read、write）是基于数据拷贝的，也就是数据都是 copy_to_user 或者 copy_from_user，这样做的好处是，通过中间缓存的机制，减少磁盘 I/O 的操作，但是坏处也很明显，大量数据的拷贝，用户态和内核态的频繁切换，会消耗大量的 CPU 资源，严重影响数据传输的性能，统计表明，在Linux协议栈中，数据包在内核态和用户态之间的拷贝所用的时间甚至占到了数据包整个处理流程时间的57.1%

什么是零拷贝

零拷贝就是上述问题的一个解决方案，通过尽量避免拷贝操作来缓解 CPU 的压力。零拷贝并没有真正做到“0”拷贝，它更多是一种思想，很多的零拷贝技术都是基于这个思想去做的优化。

原始数据拷贝：

一次网络或者磁盘io需要先从磁盘获取数据到内核的缓存区，再拷贝到用户空间的缓冲区。这是一次完成的磁盘IO。用户空间程序处理后，构建相应报文，回复客户端。这也要经过context切换和复制。

MMAP：Memory Mapping

数据到达内核的缓存后不会，复制到用户空间的缓存。而是通过内存映射，告诉user数据的位置。减少了内核空间数据向用户空间的复制，直接再内核的内存区域中复制到socket缓存，发送给客户端。

SENDFILE：直接再内核空间内复制数据，相应请求

DMA 辅助的 SENDFILE，省去了kerner 缓存到socket缓存的复制。