淺析I/O模型-select、poll、epoll

I/O流

1. 概念

   （1）c++中將數據的輸入輸出稱之爲流(stream)，在c++中，流被定義爲類，成爲流類(stream class)，其定義的對象爲流對象。

   （2）文件，套接字(socket)，管道(pipe)等可以進行I/O操做的對象，能夠被看作爲流

2. 工做機制

   （1）大多數文件系統的默認I/O操做都是緩存I/O。在Linux的緩存I/O機制中，讀取數據時，都會將數據先拷貝到操做系統內核的緩衝區中，而後將操做系統內核緩衝區的數據拷貝到應用程序的地址空間，寫的過程則相反。

   （2）緩存I/O使用操做系統內核緩衝區，在必定程度上分離了應用程序空間和實際的物理設備，經過將數據寫入緩衝區後，再一次性處理，減小了讀盤的次數，從而提升了性能

I/O模型

1. 同步與異步：關注的是消息通訊機制

   同步(synchronous)：調用者會一直「等待」被調用者返回消息，才能繼續執行，在此期間，調用者不能作其它事

   異步(asynchronous)：被調用者經過狀態、通知或回調機制主動通知調用者被調用者的運行狀態，在此期間，調用者能夠邊「等待」，邊作其它事

2. 阻塞和非阻塞：關注調用者的狀態

   阻塞(blocking)：調用者一直「等待」所處的狀態

   非阻塞(blocking)：調用者可以邊「等待」，邊作其它事的狀態

3. 同步I/O

   （1）阻塞式I/O：程序發出I/O請求，若是內核緩衝區爲空，此時進行讀操做，那麼該程序就會阻塞

   （2）非阻塞式I/O：程序發出I/O請求，若是內核緩衝區爲空，此時進行讀操做，此時就會馬上返回一個錯誤

   （3）I/O複用

   a. 這是一種機制，程序註冊一組文件描述符給操做系統，監視多個描述符，一旦某個描述符就緒（通常是讀就緒或者寫就緒），可以通知程序進行相應的讀寫操做。表示「我要監視這些fd是否有I/O事件發生，有了就告訴程序處理」。

   b. 當多個I/O流共用一個等待機制時，該模型會阻塞進程，可是進程時阻塞在這種機制的系統調用上，不是阻塞在真正的I/O操做上

   c. I/O多路複用須要和非阻塞I/O一塊兒使用，非阻塞I/O和I/O多路複用式相對獨立的。非阻塞I/O僅僅指流對象馬上返回，不會被阻塞；而I/O多路複用只是操做系統提供的一種便利的通知機制。

   （4）信號驅動式I/O

   a. 用戶進程能夠經過系統調用註冊一個信號處理程序，而後主程序能夠繼續向下執行，當有I/O操做準備就緒時，由內核通知觸發一個SIGIO信號處理程序執行，而後將用戶進程所須要的數據從內核空間拷貝到用戶空間

   b. 此模型的優點在於等待數據報到達期間進程不被阻塞。用戶主程序能夠繼續執行，只要等待來自信號處理函數的通知。

4. 異步I/O

   a. 程序進程向內核發送I/O調用後，不用等待內核響應，能夠繼續接受其餘請求，內核調用的I/O若是不能當即返回，內核會繼續處理其餘事物，直到I/O完成後將結果通知給內核

   b. 信號驅動式IO是由內核通知咱們什麼時候啓動一個IO操做，而異步IO是由內核通知咱們IO操做什麼時候完成。

I/O複用模型

1. select

   select的大體工做流程：

   （1）採用數組組織文件描述符

   （2）經過遍歷數組的方式，監視文件描述符的狀態(可讀，可寫，異常)

   （3）若是沒有可讀/可寫的文件描述符，進程會阻塞等待一段事件，超時就返回

   （4）當有一個可讀/可寫的文件描述符存在時，進程會從阻塞狀態醒來

   （5）進行無差異輪詢，找出可以操做的I/O流，若處理後，會移除對應的文件描述符

   select的缺點：

   （1）每次調用select，都須要把文件描述符集合從用戶空間貝到內核空間，這個開銷在I/O流不少時會很大

   （2）同時每次調用select都須要在內核遍歷傳遞進來的所文件描述符數組，這個開銷在I/O流不少時也很大

   （3）select支持的文件描述符數量過小了，默認是1024

2. poll

   （1）採用鏈表組織文件描述符

   （2）原理和select一致

   （3）只是解決了支持的文件描述符受限的缺點

   （4）select和poll都是水平觸發：找到可操做的I/O流並通知進程，但進程本次沒有處理，文件描述符沒有被移除，下次輪詢時依舊會通知

3. epoll

   工做原理：

   （1）紅黑樹和就緒鏈表，紅黑樹用於管理全部的文件描述符，就緒鏈表用於保存有事件發生的文件描述符。

   （2）接收到I/O請求，會在紅黑樹查找是否存在，不存在就添加到紅黑樹中，存在則將對應的文件描述符放入就緒鏈表中

   （3）若是就緒鏈表爲空，進程則阻塞不然遍歷就緒鏈表，並通知應用進程處理文件描述符對應的I/O

   工做模式：

   （1）LT模式(水平觸發)：檢測到可處理的文件描述符時，通知應用程序，應用程序能夠不當即處理該事件。後續會再次通知

   （2）ET模式(邊緣觸發)：檢測到可處理的文件描述符時，通知應用程序，應用程序必須當即處理該事件。若是本次不處理，則後續再也不通知

參考資料

IO五種模型和select與epoll工做原理（引入nginx） - osc_1ont5xz2的我的空間 - OSCHINA - 中文開源技術交流社區

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

(3) io複用與epoll模型詳解_我的文章 - SegmentFault 思否

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

Linux 網絡編程的5種IO模型：多路複用(select/poll/epoll) - 黃樹超 - 博客園 (cnblogs.com)

(3) 網絡編程——select模型（總結）_我的文章 - SegmentFault 思否

網絡編程之IO模型與Epoll - 簡書 (jianshu.com)

完全搞懂epoll高效運行的原理 - 簡書 (jianshu.com)

若是這篇文章說不清epoll的本質，那就過來掐死我吧！ （3） - 知乎 (zhihu.com)