I/O模型介绍

I/O介绍

I/O:

网络IO：本质是socket读取
磁盘IO：

每次IO，都要经由两个阶段：

第一步：将数据从磁盘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

Linux下的五种I/O模型

1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）
3) I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）
4)信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
5)异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

前四种都是同步，只有最后一种才是异步IO。

同步、异步：

概念：消息的通知机制
解释：涉及到IO通知机制；所谓同步，就是发起调用后，被调用者处理消息，必须等处理完才直接返回结果，没处理完之前是不返回的，调用者主动等待结果；所谓异步，就是发起调用后，被调用者直接返回，但是并没有返回结果，等处理完消息后，通过状态、通知或者回调函数来通知调用者，调用者被动接收结果。

阻塞、非阻塞：

概念：程序等待调用结果时的状态
解释：涉及到CPU线程调度；所谓阻塞，就是调用结果返回之前，该执行线程会被挂起，不释放CPU执行权，线程不能做其它事情，只能等待，只有等到调用结果返回了，才能接着往下执行；所谓非阻塞，就是在没有获取调用结果时，不是一直等待，线程可以往下执行，如果是同步的，通过轮询的方式检查有没有调用结果返回，如果是异步的，会通知回调。

经典故事案例：

人物：老张

道具：普通水壶（水烧开不响）；响水壶（水烧开发出响声）

案例：

                       1、同步阻塞：
                             老张在厨房用普通水壶烧水，一直在厨房等着（阻塞），盯到水烧开（同步）；
                       2、异步阻塞：
                             老张在厨房用响水壶烧水，一直在厨房中等着（阻塞），直到水壶发出响声（异步），老张知道水烧开了；
                       3、同步非阻塞：
                             老张在厨房用普通水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），然后时不时去厨房看看水烧开了没                                                           （轮询检查同步结果）；
                       4、异步非阻塞：
                             老张在厨房用响水壶烧水，在烧水过程中，就到客厅去看电视（非阻塞），当水壶发出响声（异步），老张就知道                                                        水烧开了。

阻塞I/O模型：

简介：进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成

应用程序调用一个I/O函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好，如果数据没有准备好，一直等待。。数据准备好，从内核拷贝到用户空间，I/O函数返回成功。

阻塞I/O模型图：在调用recv()/recvfrom()函数，发生在内核中等待数据和复制数据过程。

当调用recv()函数时，系统首先检查是否有准备好的数据，如果数据没有准备好，那么系统就处于等待状态，当数据准备好后，将数据从系统缓冲区复制到用户空间，然后函数返回。在套接应用程序中，当调用recv()函数时，未必用户空间就已经存在数据，那么此时recv()函数处于等待状态

非阻塞I/O模型：

简介：我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内存，当所请求的I/O操作无法完成时，不要惊进程睡眠，而是返回一个错误，河阳I/O函数会不断的测试数据是否准备好，没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在测试的过程中会占用大量的CPU时间。

I/O复用模型：

inux提供select/poll，进程通过将一个或多个fd传递给select或poll系统调用，阻塞在select操作上，这样，select/poll可以帮我们侦测多个fd是否处于就绪状态。

select/poll是顺序扫描fd是否就绪，而且支持的fd数量有限，因此它的使用受到了一些制约。

Linux还提供一个epoll系统调用，epoll使用基于事件驱动方式代替顺序扫描，因此性能更高。当有fd就绪时，立即回调函数rollback。

信号驱动I/O

简介：两次调用，两次返回 
首先允许套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。昂数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

异步I/O模型：

简介：数据拷贝的时候进程无需阻塞 
当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态，通知和回调通知调用者输入输出操作。

I/O多路复用技术

I/O编程中，需要处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。

  正如前面的简介，I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。

    与传统的多线程模型相比，I/O多路复用的最大优势就是系统开销小，系统不需要创建新的额外线程，也不需要维护这些线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

    主要的应用场景：

    服务器需要同时处理多个处于监听状态或多个连接状态的套接字。
    服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。
    支持I/O多路复用的系统调用主要有select、pselect、poll、epoll。

    而当前推荐使用的是epoll，优势如下：

    支持一个进程打开的socket fd不受限制。
    I/O效率不会随着fd数目的增加而线性下将。
    使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。
    epoll拥有更加简单的API。

select/poll/epoll

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
4 select 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

1 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
2 其没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的
3 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
4 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
5 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

1 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
 2 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:

1 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
2 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
3 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