5種網絡通訊設計模型（也稱IO模型）

一、基本概念

同步：同步函數通常指調用函數後，等到函數功能實現再返回，期間一直霸佔的CPU，等待期間同一個線程沒法執行其餘函數

異步：異步函數指調用函數後，無論函數功能是否實現，立馬返回；經過回調函數等告知函數功能完成

阻塞：調用某些函數阻塞是由於函數功能沒有實現，主動放棄CPU，讓其餘線程的得以執行；當功能實現後，函數返回

非阻塞：調用某些函數不會進入阻塞，不管實現與否，都會返回結果

 

二、5種 IO 模型

阻塞模型

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

特色：

　　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

 

非阻塞模型

程序框架以下：

while true {
    for i in stream[]
    {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

 

特色：

　　不像阻塞模型須要爲每一個socket建立一個線程，非阻塞只須要一個線程，可是會一直佔用CPU

 

複用模型

      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（根據實參規定最長進入阻塞時間，是否進入阻塞），可是和阻塞I/O所不一樣的的，這些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。

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：

程序框架以下：

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

 

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：

       由於select()只會告訴咱們有套接字可讀或可寫，沒有指明是哪一個套接字的哪一個事件發生，因此須要遍歷每一個套接字，時間複雜度是O(n)。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：（有待從新組織語言）

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:

程序框架以下；

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till unavailable
    }
}

 

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、相比於select，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，不是無差異輪詢的方式，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，時間複雜度爲O(k)，k爲產生I/O事件的流的個數
      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、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由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

三、epoll 能顯著提升程序在大量併發鏈接中只有少許活躍的狀況下的系統CPU利用率

 

信號驅動模型

    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

 

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