UNIX的網絡I/O模型

UNIX的網絡I/O模型：

    概念：
        1)linux內核對一個文件的讀寫操做會調用內核提供的系統命令，返回一個文件描述符(file discriptor，簡稱fd)。
            描述符就是一個數字，它指向內核中的一個結構體，這個結構體包含了文件路徑等信息。 eg：對socket的讀寫會返回一個描述符 socketfd
        2)一次⽹絡I/O的讀操做會包含下面這兩個階段：1)等待數據準備就緒 2)數據從內核複製到用戶空間(即用戶進程)。

    1）阻塞I/O模型：blocking I/O
        概念：用戶進程從阻塞的socket中讀取數據時，只有當數據包到達該socket的接收緩存區且數據被複制到進程空間的緩存區中 或 發生錯誤時 才返回，在此期間進程會一直阻塞等待。

        說明：默認狀況下，全部的文件操做都是阻塞的。
        缺點：客戶端的併發訪問量比較高時，服務端須要建立大量的線程來響應請求，當線程的數量膨脹後，系統的性能會急劇降低甚至宕機。

        僞異步I/O模型：
            概念：爲了解決阻塞I/O模型中須要爲每個請求都建立一個線程的問題，服務端可使用線程池來實現一個僞異步I/O模型。
            僞異步I/O模型可能致使的級聯故障：某臺服務器故障致使響應緩慢 -> 線程讀取故障服務節點的響應 -> 全部線程被故障節點阻塞，後續IO消息都在隊列中 -> 隊列積滿 -> 新的客戶端請求被拒絕，服務器無響應

    2）非阻塞I/O模型：nonblocking I/O
        概念：用戶進程從非阻塞的socket中讀取數據時，若該套接字的接收緩存區中沒有數據，則內核會直接返回一個錯誤。

        說明：通常當socket設爲非阻塞狀態時，用戶進程會輪詢內核(eg:循環調用recvfrom函數)，直到內核有數據返回爲止，所以會致使大量cpu資源被佔用。

    3）I/O複用模型：I/O multiplexing
        概念：將多個待監聽的fd註冊到多路複用器(selector)中，註冊的時候須要指定該fd上待監聽的事件，selector會一直監聽註冊的fd，當fd上有事件發生時，selector會作出相應的處理。

        說明：
            與阻塞I/O模型相比，I/O複用模型是阻塞在select調用(或poll調用、或epoll調用)上，而不是阻塞在真正的I/O操做上。注意：阻塞是針對發起方而言的。
            獲取fd的狀態：內核把fd的信息通知給用戶空間。
            水平觸發：若就緒的fd未被用戶進程處理，則該fd在下一次查詢時依舊會返回。
            邊緣觸發：不管就緒的fd是否被用戶進程處理，該fd在下一次查詢時將再也不返回。

        優勢：
            客戶端發起的鏈接操做是異步的，故單線程能夠同時處理多個客戶端的IO請求。系統不須要爲每一個客戶端請求都建立一個線程，這樣大大下降了系統的開銷，
        缺點：

        select調用：
            概念：多路複用器(selector)由select函數實現。

            監聽機制：
                輪詢註冊的fd，並根據fd的狀態作相應的處理：
                    讀就緒狀態             ->    讀數據 並 刪除該讀就緒事件
                    寫就緒狀態             ->    寫數據 並 刪除該寫就緒事件
                    接收(accept)就緒狀態     ->    註冊新的讀就緒事件 並 刪除該接收就緒事件
                    ...
                獲取fd的狀態：內核把全部監聽的fd的信息總體複製到用戶空間。

            觸發方式：水平觸發。

            優勢：與非阻塞式I/O模式相比，select調用不須要客戶端不斷地發出請求。
            缺點：
                單個進程能夠打開的fd數量有限，默認1024個，若是要修改這個默認值，須要從新編譯內核。
                每次select調用都會線性地掃描全部監聽的fd(即:不管fd是否就緒，select都會去檢查它的狀態)，當監聽的fd數量比較多時，I/O效率呈線性降低。

        poll調用：
            概念：多路複用器(selector)由poll函數實現。

            監聽機制：同select調用。

            觸發方式：水平觸發。

            優勢：
                單個進程能夠打開的fd數量不受限制。
            缺點：
                線性地掃描全部監聽的fd，當監聽的fd數量比較多時，I/O效率呈線性降低。

        epoll調用：
            概念：selector由一系列epoll_函數實現。

            監聽機制：
                當fd就緒時，fd會當即回調rollback函數。而那些沒有就緒的fd則不會回調rollback函數。
                獲取fd的狀態：使用內存映射，不須要把fd的信息從內核複製到用戶空間。

            觸發方式：默認是水平觸發，支持邊緣觸發。

            優勢：
                單個進程能夠打開的fd數量不受限制。(僅受限於操做系統的最大文件句柄數，1g內存的最大文件句柄數爲10w左右)
                因爲epoll採用的是回調函數的方式，而不是線性掃描的方式，故I/O效率不會隨着fd數量的增長而線性降低。
                使用內存映射，避免了內存複製的開銷，加速了內核與用戶空間的消息傳遞。
            缺點：
                在鏈接數少而且鏈接都十分活躍的狀況下，epoll的性能可能比select和poll的性能差，畢竟epoll的通知機制須要不少函數回調。

    4）信號驅動式I/O模型：SIGIO
        開啓套接字信號驅動IO功能，並經過sigaction系統調用，執行一個信號處理函數，當數據報準備好時，內核就爲該進程產生一個SIGIO信號，用戶進程收到這個信號後，就能夠開始進行I/O操做了。
        該系統調用會當即返回，在等待數據報到達期間，用戶進程不會被阻塞。
        
        說明：信號驅動式I/O模型使用的場景比較少。

    5）異步I/O模型：POSIX定義的異步IO函數
        
        調用異步IO函數，讓內核在整個I/O操做(包括將數據從內核複製到用戶本身的緩衝區)完成後通知用戶進程。
        該系統調用會當即返回，在等待I/O操做期間，用戶進程不被阻塞。

        說明：同步/異步是針對執行方而言的。