* [一、I/O 模型](#一io-模型) * [阻塞式 I/O](#阻塞式-io) * [非阻塞式 I/O](#非阻塞式-io) * [I/O 复用](#io-复用) * [信号驱动 I/O](#信号驱动-io) * [异步 I/O](#异步-io) * [五大 I/O 模型比较](#五大-io-模型比较) * [二、I/O 复用](#二io-复用) * [select](#select) * [poll](#poll) * [比较](#比较) * [epoll](#epoll) * [工作模式](#工作模式) * [应用场景](#应用场景) * [参考资料](#参考资料) # 一、I/O 模型 一个输入操作通常包括两个阶段: - 等待数据准备好 - 从内核向进程复制数据 对于一个套接字上的输入操作,第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时,它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。 Unix 有五种 I/O 模型: - 阻塞式 I/O - 非阻塞式 I/O - I/O 复用(select 和 poll) - 信号驱动式 I/O(SIGIO) - 异步 I/O(AIO) ## 阻塞式 I/O 应用进程被阻塞,直到数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中才返回。 应该注意到,在阻塞的过程中,其它应用进程还可以执行,因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其它应用进程还可以执行,所以不消耗 CPU 时间,这种模型的 CPU 利用率会比较高。 下图中,recvfrom() 用于接收 Socket 传来的数据,并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。 ```c ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen); ```

## 非阻塞式 I/O 应用进程执行系统调用之后,内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行,但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成,这种方式称为轮询(polling)。 由于 CPU 要处理更多的系统调用,因此这种模型的 CPU 利用率比较低。

## I/O 复用 使用 select 或者 poll 等待数据,并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读。这一过程会被阻塞,当某一个套接字可读时返回,之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。 它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O,即事件驱动 I/O。 如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用,那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接,那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术,I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销,系统开销更小。

## 信号驱动 I/O 应用进程使用 sigaction 系统调用,内核立即返回,应用进程可以继续执行,也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号,应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。 相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式,信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。

## 异步 I/O 应用进程执行 aio_read 系统调用会立即返回,应用进程可以继续执行,不会被阻塞,内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。 异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于,异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成,而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。

## 五大 I/O 模型比较 - 同步 I/O:将数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区的阶段,应用进程会阻塞。 - 异步 I/O:不会阻塞。 阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O,它们的主要区别在第一个阶段。 非阻塞式 I/O 、信号驱动 I/O 和异步 I/O 在第一阶段不会阻塞。

# 二、I/O 复用 select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现,select 出现的最早,之后是 poll,再是 epoll。 ## select ```c int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); ``` 有三种类型的描述符类型:readset、writeset、exceptset,分别对应读、写、异常条件的描述符集合。fd_set 使用数组实现,数组大小使用 FD_SETSIZE 定义。 timeout 为超时参数,调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout。 成功调用返回结果大于 0,出错返回结果为 -1,超时返回结果为 0。 ```c fd_set fd_in, fd_out; struct timeval tv; // Reset the sets FD_ZERO( &fd_in ); FD_ZERO( &fd_out ); // Monitor sock1 for input events FD_SET( sock1, &fd_in ); // Monitor sock2 for output events FD_SET( sock2, &fd_out ); // Find out which socket has the largest numeric value as select requires it int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2; // Wait up to 10 seconds tv.tv_sec = 10; tv.tv_usec = 0; // Call the select int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv ); // Check if select actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) ) // input event on sock1 if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) ) // output event on sock2 } ``` ## poll ```c int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout); ``` pollfd 使用链表实现。 ```c // The structure for two events struct pollfd fds[2]; // Monitor sock1 for input fds[0].fd = sock1; fds[0].events = POLLIN; // Monitor sock2 for output fds[1].fd = sock2; fds[1].events = POLLOUT; // Wait 10 seconds int ret = poll( &fds, 2, 10000 ); // Check if poll actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure if ( fds[0].revents & POLLIN ) fds[0].revents = 0; // input event on sock1 if ( fds[1].revents & POLLOUT ) fds[1].revents = 0; // output event on sock2 } ``` ## 比较 ### 1. 功能 select 和 poll 的功能基本相同,不过在一些实现细节上有所不同。 - select 会修改描述符,而 poll 不会; - select 的描述符类型使用数组实现,FD_SETSIZE 大小默认为 1024,因此默认只能监听 1024 个描述符。如果要监听更多描述符的话,需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译;而 poll 的描述符类型使用链表实现,没有描述符数量的限制; - poll 提供了更多的事件类型,并且对描述符的重复利用上比 select 高。 - 如果一个线程对某个描述符调用了 select 或者 poll,另一个线程关闭了该描述符,会导致调用结果不确定。 ### 2. 速度 select 和 poll 速度都比较慢。 - select 和 poll 每次调用都需要将全部描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。 - select 和 poll 的返回结果中没有声明哪些描述符已经准备好,所以如果返回值大于 0 时,应用进程都需要使用轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符。 ### 3. 可移植性 几乎所有的系统都支持 select,但是只有比较新的系统支持 poll。 ## epoll ```c int epoll_create(int size); int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); ``` epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上,通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理,进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。 从上面的描述可以看出,epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次,并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。 epoll 仅适用于 Linux OS。 epoll 比 select 和 poll 更加灵活而且没有描述符数量限制。 epoll 对多线程编程更有友好,一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 select 和 poll 的不确定情况。 ```c // Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets. // The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE ); if ( pollingfd < 0 ) // report error // Initialize the epoll structure in case more members are added in future struct epoll_event ev = { 0 }; // Associate the connection class instance with the event. You can associate anything // you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1 ev.data.ptr = pConnection1; // Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT; // Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is // waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 ) // report error // Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen) struct epoll_event pevents[ 20 ]; // Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 ); // Check if epoll actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { // Check if any events detected for ( int i = 0; i < ret; i++ ) { if ( pevents[i].events & EPOLLIN ) { // Get back our connection pointer Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr; c->handleReadEvent(); } } } ``` ## 工作模式 epoll 的描述符事件有两种触发模式:LT(level trigger)和 ET(edge trigger)。 ### 1. LT 模式 当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时,将此事件通知进程,进程可以不立即处理该事件,下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式,并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。 ### 2. ET 模式 和 LT 模式不同的是,通知之后进程必须立即处理事件,下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。 很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。 ## 应用场景 很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了,select 和 poll 都已经过时了,其实它们都有各自的使用场景。 ### 1. select 应用场景 select 的 timeout 参数精度为 1ns,而 poll 和 epoll 为 1ms,因此 select 更加适用于实时性要求比较高的场景,比如核反应堆的控制。 select 可移植性更好,几乎被所有主流平台所支持。 ### 2. poll 应用场景 poll 没有最大描述符数量的限制,如果平台支持并且对实时性要求不高,应该使用 poll 而不是 select。 ### 3. epoll 应用场景 只需要运行在 Linux 平台上,有大量的描述符需要同时轮询,并且这些连接最好是长连接。 需要同时监控小于 1000 个描述符,就没有必要使用 epoll,因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。 需要监控的描述符状态变化多,而且都是非常短暂的,也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中,造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用,频繁系统调用降低效率。并且 epoll 的描述符存储在内核,不容易调试。 # 参考资料 - Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004. - [Boost application performance using asynchronous I/O](https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/) - [Synchronous and Asynchronous I/O](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365683(v=vs.85).aspx) - [Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解](https://segmentfault.com/a/1190000003063859) - [poll vs select vs event-based](https://daniel.haxx.se/docs/poll-vs-select.html) - [select / poll / epoll: practical difference for system architects](http://www.ulduzsoft.com/2014/01/select-poll-epoll-practical-difference-for-system-architects/) - [Browse the source code of userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/ online](https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/)
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