（轉載） Linux五種IO模型

轉載:http://blog.csdn.net/jay900323/article/details/18141217

  

 Linux五種IO模型及分析

 

目錄(?)[-]

1. 概念理解
2. Linux下的五種IO模型
1. 阻塞IO模型
2. 非阻塞IO模型 
3. IO複用模型
4. 信號驅動IO
5. 異步IO模型
6. 個IO模型的比較
3. selectpollepoll簡介

1. 概念理解

 

     在進行網絡編程時，咱們經常見到同步(Sync)/異步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四種調用方式：
同步：
      所謂同步，就是在發出一個功能調用時，在沒有獲得結果以前，該調用就不返回。也就是必須一件一件事作,等前一件作完了才能作下一件事。

 

例如普通B/S模式（同步）：提交請求->等待服務器處理->處理完畢返回 這個期間客戶端瀏覽器不能幹任何事

異步：
      異步的概念和同步相對。當一個異步過程調用發出後，調用者不能馬上獲得結果。實際處理這個調用的部件在完成後，經過狀態、通知和回調來通知調用者。

     例如 ajax請求（異步）: 請求經過事件觸發->服務器處理（這是瀏覽器仍然能夠做其餘事情）->處理完畢

阻塞
     阻塞調用是指調用結果返回以前，當前線程會被掛起（線程進入非可執行狀態，在這個狀態下，cpu不會給線程分配時間片，即線程暫停運行）。函數只有在獲得結果以後纔會返回。

     有人也許會把阻塞調用和同步調用等同起來，實際上他是不一樣的。對於同步調用來講，不少時候當前線程仍是激活的，只是從邏輯上當前函數沒有返回而已。 例如，咱們在socket中調用recv函數，若是緩衝區中沒有數據，這個函數就會一直等待，直到有數據才返回。而此時，當前線程還會繼續處理各類各樣的消息。

非阻塞
      非阻塞和阻塞的概念相對應，指在不能馬上獲得結果以前，該函數不會阻塞當前線程，而會馬上返回。
對象的阻塞模式和阻塞函數調用
對象是否處於阻塞模式和函數是否是阻塞調用有很強的相關性，可是並非一一對應的。阻塞對象上能夠有非阻塞的調用方式，咱們能夠經過必定的API去輪詢狀 態，在適當的時候調用阻塞函數，就能夠避免阻塞。而對於非阻塞對象，調用特殊的函數也能夠進入阻塞調用。函數select就是這樣的一個例子。

 

1. 同步，就是我調用一個功能，該功能沒有結束前，我死等結果。
2. 異步，就是我調用一個功能，不須要知道該功能結果，該功能有結果後通知我（回調通知）
3. 阻塞，      就是調用我（函數），我（函數）沒有接收完數據或者沒有獲得結果以前，我不會返回。
4. 非阻塞，  就是調用我（函數），我（函數）當即返回，經過select通知調用者

 

同步IO和異步IO的區別就在於：數據拷貝的時候進程是否阻塞！

阻塞IO和非阻塞IO的區別就在於：應用程序的調用是否當即返回！

對於舉個簡單c/s 模式：

 

同步：提交請求->等待服務器處理->處理完畢返回這個期間客戶端瀏覽器不能幹任何事
異步：請求經過事件觸發->服務器處理（這是瀏覽器仍然能夠做其餘事情）->處理完畢

同步和異步都只針對於本機SOCKET而言的。

同步和異步,阻塞和非阻塞,有些混用,其實它們徹底不是一回事,並且它們修飾的對象也不相同。
阻塞和非阻塞是指當進程訪問的數據若是還沒有就緒,進程是否須要等待,簡單說這至關於函數內部的實現區別,也就是未就緒時是直接返回仍是等待就緒;

而同步和異步是指訪問數據的機制,同步通常指主動請求並等待I/O操做完畢的方式,當數據就緒後在讀寫的時候必須阻塞(區別就緒與讀寫二個階段,同步的讀寫必須阻塞),異步則指主動請求數據後即可以繼續處理其它任務,隨後等待I/O,操做完畢的通知,這可使進程在數據讀寫時也不阻塞。(等待"通知")

1. Linux下的五種I/O模型

1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）
3) I/O複用(select 和poll) （I/O multiplexing）
4)信號驅動I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
5)異步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

 

前四種都是同步，只有最後一種纔是異步IO。

阻塞I/O模型：

        簡介：進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成

     應用程序調用一個IO函數，致使應用程序阻塞，等待數據準備好。 若是數據沒有準備好，一直等待….數據準備好了，從內核拷貝到用戶空間,IO函數返回成功指示。

阻塞I/O模型圖：在調用recv()/recvfrom（）函數時，發生在內核中等待數據和複製數據的過程。

    當調用recv()函數時，系統首先查是否有準備好的數據。若是數據沒有準備好，那麼系統就處於等待狀態。當數據準備好後，將數據從系統緩衝區複製到用戶空間，而後該函數返回。在套接應用程序中，當調用recv()函數時，未必用戶空間就已經存在數據，那麼此時recv()函數就會處於等待狀態。

 

     當使用socket()函數和WSASocket()函數建立套接字時，默認的套接字都是阻塞的。這意味着當調用Windows Sockets API不能當即完成時，線程處於等待狀態，直到操做完成。

    並非全部Windows Sockets API以阻塞套接字爲參數調用都會發生阻塞。例如，以阻塞模式的套接字爲參數調用bind()、listen()函數時，函數會當即返回。將可能阻塞套接字的Windows Sockets API調用分爲如下四種:

    1．輸入操做： recv()、recvfrom()、WSARecv()和WSARecvfrom()函數。以阻塞套接字爲參數調用該函數接收數據。若是此時套接字緩衝區內沒有數據可讀，則調用線程在數據到來前一直睡眠。

    2．輸出操做： send()、sendto()、WSASend()和WSASendto()函數。以阻塞套接字爲參數調用該函數發送數據。若是套接字緩衝區沒有可用空間，線程會一直睡眠，直到有空間。

    3．接受鏈接：accept()和WSAAcept()函數。以阻塞套接字爲參數調用該函數，等待接受對方的鏈接請求。若是此時沒有鏈接請求，線程就會進入睡眠狀態。

   4．外出鏈接：connect()和WSAConnect()函數。對於TCP鏈接，客戶端以阻塞套接字爲參數，調用該函數向服務器發起鏈接。該函數在收到服務器的應答前，不會返回。這意味着TCP鏈接總會等待至少到服務器的一次往返時間。

　　使用阻塞模式的套接字，開發網絡程序比較簡單，容易實現。當但願可以當即發送和接收數據，且處理的套接字數量比較少的狀況下，使用阻塞模式來開發網絡程序比較合適。

    阻塞模式套接字的不足表現爲，在大量創建好的套接字線程之間進行通訊時比較困難。當使用「生產者-消費者」模型開發網絡程序時，爲每一個套接字都分別分配一個讀線程、一個處理數據線程和一個用於同步的事件，那麼這樣無疑加大系統的開銷。其最大的缺點是當但願同時處理大量套接字時，將無從下手，其擴展性不好

非阻塞IO模型 

 

       簡介：非阻塞IO經過進程反覆調用IO函數（屢次系統調用，並立刻返回）；在數據拷貝的過程當中，進程是阻塞的；

 

       

       咱們把一個SOCKET接口設置爲非阻塞就是告訴內核，當所請求的I/O操做沒法完成時，不要將進程睡眠，而是返回一個錯誤。這樣咱們的I/O操做函數將不斷的測試數據是否已經準備好，若是沒有準備好，繼續測試，直到數據準備好爲止。在這個不斷測試的過程當中，會大量的佔用CPU的時間。

    把SOCKET設置爲非阻塞模式，即通知系統內核：在調用Windows Sockets API時，不要讓線程睡眠，而應該讓函數當即返回。在返回時，該函數返回一個錯誤代碼。圖所示，一個非阻塞模式套接字屢次調用recv()函數的過程。前三次調用recv()函數時，內核數據尚未準備好。所以，該函數當即返回WSAEWOULDBLOCK錯誤代碼。第四次調用recv()函數時，數據已經準備好，被複制到應用程序的緩衝區中，recv()函數返回成功指示，應用程序開始處理數據。

     當使用socket()函數和WSASocket()函數建立套接字時，默認都是阻塞的。在建立套接字以後，經過調用ioctlsocket()函數，將該套接字設置爲非阻塞模式。Linux下的函數是:fcntl().
    套接字設置爲非阻塞模式後，在調用Windows Sockets API函數時，調用函數會當即返回。大多數狀況下，這些函數調用都會調用「失敗」，並返回WSAEWOULDBLOCK錯誤代碼。說明請求的操做在調用期間內沒有時間完成。一般，應用程序須要重複調用該函數，直到得到成功返回代碼。

    須要說明的是並不是全部的Windows Sockets API在非阻塞模式下調用，都會返回WSAEWOULDBLOCK錯誤。例如，以非阻塞模式的套接字爲參數調用bind()函數時，就不會返回該錯誤代碼。固然，在調用WSAStartup()函數時更不會返回該錯誤代碼，由於該函數是應用程序第一調用的函數，固然不會返回這樣的錯誤代碼。

    要將套接字設置爲非阻塞模式，除了使用ioctlsocket()函數以外，還可使用WSAAsyncselect()和WSAEventselect()函數。當調用該函數時，套接字會自動地設置爲非阻塞方式。

　　因爲使用非阻塞套接字在調用函數時，會常常返回WSAEWOULDBLOCK錯誤。因此在任什麼時候候，都應仔細檢查返回代碼並做好對「失敗」的準備。應用程序接二連三地調用這個函數，直到它返回成功指示爲止。上面的程序清單中，在While循環體內不斷地調用recv()函數，以讀入1024個字節的數據。這種作法很浪費系統資源。

    要完成這樣的操做，有人使用MSG_PEEK標誌調用recv()函數查看緩衝區中是否有數據可讀。一樣，這種方法也很差。由於該作法對系統形成的開銷是很大的，而且應用程序至少要調用recv()函數兩次，才能實際地讀入數據。較好的作法是，使用套接字的「I/O模型」來判斷非阻塞套接字是否可讀可寫。

    非阻塞模式套接字與阻塞模式套接字相比，不容易使用。使用非阻塞模式套接字，須要編寫更多的代碼，以便在每一個Windows Sockets API函數調用中，對收到的WSAEWOULDBLOCK錯誤進行處理。所以，非阻塞套接字便顯得有些難於使用。

    可是，非阻塞套接字在控制創建的多個鏈接，在數據的收發量不均，時間不定時，明顯具備優點。這種套接字在使用上存在必定難度，但只要排除了這些困難，它在功能上仍是很是強大的。一般狀況下，可考慮使用套接字的「I/O模型」，它有助於應用程序經過異步方式，同時對一個或多個套接字的通訊加以管理。

IO複用模型：

             簡介：主要是select和epoll；對一個IO端口，兩次調用，兩次返回，比阻塞IO並無什麼優越性；關鍵是能實現同時對多個IO端口進行監聽；

      I/O複用模型會用到select、poll、epoll函數，這幾個函數也會使進程阻塞，可是和阻塞I/O所不一樣的的，這兩個函數能夠同時阻塞多個I/O操做。並且能夠同時對多個讀操做，多個寫操做的I/O函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正調用I/O操做函數。

信號驅動IO

 

    簡介：兩次調用，兩次返回；

    首先咱們容許套接口進行信號驅動I/O,並安裝一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。當數據準備好時，進程會收到一個SIGIO信號，能夠在信號處理函數中調用I/O操做函數處理數據。

異步IO模型

         簡介：數據拷貝的時候進程無需阻塞。

     當一個異步過程調用發出後，調用者不能馬上獲得結果。實際處理這個調用的部件在完成後，經過狀態、通知和回調來通知調用者的輸入輸出操做

同步IO引發進程阻塞，直至IO操做完成。
異步IO不會引發進程阻塞。
IO複用是先經過select調用阻塞。

 

5個I/O模型的比較：

 

 

1. select、poll、epoll簡介

epoll跟select都能提供多路I/O複用的解決方案。在如今的Linux內核裏有都可以支持，其中epoll是Linux所特有，而select則應該是POSIX所規定，通常操做系統均有實現

 

select：

select本質上是經過設置或者檢查存放fd標誌位的數據結構來進行下一步處理。這樣所帶來的缺點是：

一、 單個進程可監視的fd數量被限制，即能監聽端口的大小有限。

      通常來講這個數目和系統內存關係很大，具體數目能夠cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.

二、 對socket進行掃描時是線性掃描，即採用輪詢的方法，效率較低：

       當套接字比較多的時候，每次select()都要經過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度,無論哪一個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費不少CPU時間。若是能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操做，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue作的。

三、須要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時複製開銷大

poll：

poll本質上和select沒有區別，它將用戶傳入的數組拷貝到內核空間，而後查詢每一個fd對應的設備狀態，若是設備就緒則在設備等待隊列中加入一項並繼續遍歷，若是遍歷完全部fd後沒有發現就緒設備，則掛起當前進程，直到設備就緒或者主動超時，被喚醒後它又要再次遍歷fd。這個過程經歷了屢次無謂的遍歷。

它沒有最大鏈接數的限制，緣由是它是基於鏈表來存儲的，可是一樣有一個缺點：

一、大量的fd的數組被總體複製於用戶態和內核地址空間之間，而無論這樣的複製是否是有意義。                                                                                                                                      二、poll還有一個特色是「水平觸發」，若是報告了fd後，沒有被處理，那麼下次poll時會再次報告該fd。

epoll:

epoll支持水平觸發和邊緣觸發，最大的特色在於邊緣觸發，它只告訴進程哪些fd剛剛變爲就需態，而且只會通知一次。還有一個特色是，epoll使用「事件」的就緒通知方式，經過epoll_ctl註冊fd，一旦該fd就緒，內核就會採用相似callback的回調機制來激活該fd，epoll_wait即可以收到通知

epoll的優勢：

 

一、沒有最大併發鏈接的限制，能打開的FD的上限遠大於1024（1G的內存上能監聽約10萬個端口）；
二、效率提高，不是輪詢的方式，不會隨着FD數目的增長效率降低。只有活躍可用的FD纔會調用callback函數；
      即Epoll最大的優勢就在於它只管你「活躍」的鏈接，而跟鏈接總數無關，所以在實際的網絡環境中，Epoll的效率就會遠遠高於select和poll。

三、 內存拷貝，利用mmap()文件映射內存加速與內核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減小複製開銷。

select、poll、epoll 區別總結：

 

一、支持一個進程所能打開的最大鏈接數

select	單個進程所能打開的最大鏈接數有FD_SETSIZE宏定義，其大小是32個整數的大小（在32位的機器上，大小就是32*32，同理64位機器上FD_SETSIZE爲32*64），固然咱們能夠對進行修改，而後從新編譯內核，可是性能可能會受到影響，這須要進一步的測試。
poll	poll本質上和select沒有區別，可是它沒有最大鏈接數的限制，緣由是它是基於鏈表來存儲的
epoll	雖然鏈接數有上限，可是很大，1G內存的機器上能夠打開10萬左右的鏈接，2G內存的機器能夠打開20萬左右的鏈接

二、FD劇增後帶來的IO效率問題

select	由於每次調用時都會對鏈接進行線性遍歷，因此隨着FD的增長會形成遍歷速度慢的「線性降低性能問題」。
poll	同上
epoll	由於epoll內核中實現是根據每一個fd上的callback函數來實現的，只有活躍的socket纔會主動調用callback，因此在活躍socket較少的狀況下，使用epoll沒有前面二者的線性降低的性能問題，可是全部socket都很活躍的狀況下，可能會有性能問題。

三、 消息傳遞方式

select	內核須要將消息傳遞到用戶空間，都須要內核拷貝動做
poll	同上
epoll	epoll經過內核和用戶空間共享一塊內存來實現的。

總結：

綜上，在選擇select，poll，epoll時要根據具體的使用場合以及這三種方式的自身特色。

一、表面上看epoll的性能最好，可是在鏈接數少而且鏈接都十分活躍的狀況下，select和poll的性能可能比epoll好，畢竟epoll的通知機制須要不少函數回調。

二、select低效是由於每次它都須要輪詢。但低效也是相對的，視狀況而定，也可經過良好的設計改善