linux Io模型

linux Io模型

Linux IO模型理解

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO可以理解为对流的操作。
刚才说了，对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
- 第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。
- 第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
对于socket流而言，
- 第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区
- 第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

linux IO五种模型

同步阻塞 IO（blocking IO）
- 同步阻塞 IO 模型是最常用的一个模型，也是最简单的模型。在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。
- 当用户进程进行系统调用时，内核就开始了I/O的第一个阶段，准备数据到缓冲区中，当数据都准备完成后，则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中，这时用户进程才解除block的状态重新运行。
非阻塞IO（non-blocking IO）
- 也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。
- 需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。
多路复用IO（multiplexing IO）
- 由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。那么这就是所谓的 “IO 多路复用”。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）
- IO多路复用有两个特别的系统调用select、poll、epoll函数。select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于---前者可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。select或poll调用之后，会阻塞进程，与blocking IO阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。也可以理解为"非阻塞"吧。
信号驱动式IO（signal-driven IO，不常用）
异步非阻塞 IO（asynchronous IO）
- 相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。

对比

同步IO和异步IO的区别就在于：数据拷贝的时候进程是否阻塞！
阻塞IO和非阻塞IO的区别就在于：应用程序的调用是否立即返回！
阻塞和非阻塞是指当进程访问的数据如果尚未就绪,进程是否需要等待,简单说这相当于函数内部的实现区别,也就是未就绪时是直接返回还是等待就绪;
而同步和异步是指访问数据的机制,同步一般指主动请求并等待I/O操作完毕的方式,当数据就绪后在读写的时候必须阻塞(区别就绪与读写二个阶段,同步的读写必须阻塞),异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务,随后等待I/O,操作完毕的通知,这可以使进程在数据读写时也不阻塞。(等待"通知")

select、poll、epoll

select
- select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。
- 这样所带来的缺点是
  - 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。
  - 一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.
- 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：
- 当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。
- 需要维护一个用来存放大量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
- poll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，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。
- 它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的
- 缺点
  - 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。
  - oll还有一个特点是“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。
epoll
- epoll支持水平触发和边缘触发，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。还有一个特点是，epoll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
  - 没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；
  - 效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。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你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
  - 内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

各场景对比

支持一个进程所能打开的最大连接数

Item	Value
select	单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义，其大小是32个整数的大小（在32位的机器上，大小就是3232，同理64位机器上FD_SETSIZE为3264），当然我们可以对进行修改，然后重新编译内核，但是性能可能会受到影响，这需要进一步的测试。
poll	poll本质上和select没有区别，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的
epoll	虽然连接数有上限，但是很大，1G内存的机器上可以打开10万左右的连接，2G内存的机器可以打开20万左右的连接

FD剧增后带来的IO效率问题

Item	Value
select	因为每次调用时都会对连接进行线性遍历，所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。
poll	同上
epoll	因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback，所以在活跃socket较少的情况下，使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题，但是所有socket都很活跃的情况下，可能会有性能问题。

消息传递方式

Item	Value
select	内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作
poll	同上
epoll	epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。

但是对于连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，因为epoll是建立在大量的函数回调的基础之上。

linux Io模型

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相关概念说明

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对比

select、poll、epoll

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