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* [一、I/O 模型](#一io-模型)
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* [阻塞式 I/O](#阻塞式-io)
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* [非阻塞式 I/O](#非阻塞式-io)
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* [I/O 复用](#io-复用)
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* [信号驱动 I/O](#信号驱动-io)
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* [异步 I/O](#异步-io)
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* [同步 I/O 与异步 I/O](#同步-io-与异步-io)
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* [五大 I/O 模型比较](#五大-io-模型比较)
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* [二、I/O 复用](#二io-复用)
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* [select](#select)
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* [poll](#poll)
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* [epoll](#epoll)
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* [select 和 poll 比较](#select-和-poll-比较)
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* [eopll 工作模式](#eopll-工作模式)
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* [应用场景](#应用场景)
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* [参考资料](#参考资料)
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# 一、I/O 模型
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一个输入操作通常包括两个阶段：
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- 等待数据准备好
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- 从内核向进程复制数据
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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。当所等待分组到达时，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。
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Unix 下有五种 I/O 模型：
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- 阻塞式 I/O
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- 非阻塞式 I/O
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- I/O 复用（select 和 poll）
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- 信号驱动式 I/O（SIGIO）
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- 异步 I/O（AIO）
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## 阻塞式 I/O
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应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。
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应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。
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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。
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```c
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ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
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```
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<div align="center"> <img src="../pics//1492928416812_4.png"/> </div><br>
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## 非阻塞式 I/O
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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）。
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由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型是比较低效的。
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<div align="center"> <img src="../pics//1492929000361_5.png"/> </div><br>
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## I/O 复用
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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。
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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。
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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。并且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。
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<div align="center"> <img src="../pics//1492929444818_6.png"/> </div><br>
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## 信号驱动 I/O
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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。
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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。
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<div align="center"> <img src="../pics//1492929553651_7.png"/> </div><br>
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## 异步 I/O
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进行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程继续执行，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。
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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。
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<div align="center"> <img src="../pics//1492930243286_8.png"/> </div><br>
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## 同步 I/O 与异步 I/O
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- 同步 I/O：应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
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- 异步 I/O：不会阻塞。
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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，虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。
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## 五大 I/O 模型比较
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前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段，而第二个阶段是一样的：将数据从内核复制到应用进程过程中，应用进程会被阻塞。
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<div align="center"> <img src="../pics//1492928105791_3.png"/> </div><br>
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# 二、I/O 复用
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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。
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## select
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```c
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int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
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```
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readset, writeset, exceptset 参数，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。
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timeout 参数告知内核等待所指定描述符中的任何一个就绪的最长时间；
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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。
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每次调用 select 都需要将 readfds, writefds, exceptfds 链表内容全部从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。
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返回结果中内核并没有声明 fd_set 中哪些描述符已经准备好，所以如果返回值大于 0 时，应用进程需要遍历所有的 fd_set。
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select 最多支持 1024 个描述符，其中 1024 由内核的 FD_SETSIZE 决定。如果需要打破该限制可以修改 FD_SETSIZE，然后重新编译内核。
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```c
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fd_set fd_in, fd_out;
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struct timeval tv;
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// Reset the sets
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FD_ZERO( &fd_in );
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FD_ZERO( &fd_out );
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// Monitor sock1 for input events
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FD_SET( sock1, &fd_in );
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// Monitor sock2 for output events
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FD_SET( sock2, &fd_out );
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// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
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int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;
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// Wait up to 10 seconds
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tv.tv_sec = 10;
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tv.tv_usec = 0;
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// Call the select
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int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );
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// Check if select actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
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// input event on sock1
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if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
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// output event on sock2
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}
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```
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## poll
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```c
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int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
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```
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```c
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struct pollfd {
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int fd; // 文件描述符
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short events; // 监视的请求事件
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short revents; // 已发生的事件
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};
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```
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它和 select 功能基本相同，同样需要每次都将描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区，调用返回后同样需要进行轮询才能知道哪些描述符已经准备好。
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poll 取消了 1024 个描述符数量上限，但是数量太大以后不能保证执行效率，因为复制大量内存到内核十分低效，所需时间与描述符数量成正比。
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poll 在描述符的重复利用上比 select 的 fd_set 会更好。
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如果在多线程下，如果一个线程对某个描述符调用了 poll 系统调用，但是另一个线程关闭了该描述符，会导致 poll 调用结果不确定，该问题同样出现在 select 中。
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```c
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// The structure for two events
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struct pollfd fds[2];
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// Monitor sock1 for input
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fds[0].fd = sock1;
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fds[0].events = POLLIN;
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// Monitor sock2 for output
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fds[1].fd = sock2;
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fds[1].events = POLLOUT;
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// Wait 10 seconds
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int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
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// Check if poll actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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// If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
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if ( pfd[0].revents & POLLIN )
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pfd[0].revents = 0;
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// input event on sock1
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if ( pfd[1].revents & POLLOUT )
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pfd[1].revents = 0;
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// output event on sock2
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}
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```
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## epoll
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```c
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int epoll_create(int size);
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int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
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int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
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```
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epoll 仅适用于 Linux OS。
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它是 select 和 poll 的增强版，更加灵活而且没有描述符数量限制。
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它将用户关心的描述符放到内核的一个事件表中，从而只需要在用户进程缓冲区和内核缓冲区拷贝一次。
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select 和 poll 方式中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的描述符进行扫描。而 epoll 事先通过 epoll_ctl() 来注册描述符，一旦基于某个描述符就绪时，内核会采用类似 callback 的回调机制，迅速激活这个描述符，当进程调用 epoll_wait() 时便得到通知。
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新版本的 epoll_create(int size) 参数 size 不起任何作用，在旧版本的 epoll 中如果描述符的数量大于 size，不保证服务质量。
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epoll_ctl() 执行一次系统调用，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。
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epoll_wait() 取出在内核中通过链表维护的 I/O 准备好的描述符，将他们从内核复制到应用进程中，不需要像 select/poll 对注册的所有描述符遍历一遍。
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epoll 对多线程编程更有友好，同时多个线程对同一个描述符调用了 epoll_wait() 也不会产生像 select/poll 的不确定情况。或者一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生不确定情况。
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```c
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// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets.
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// The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here
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int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE );
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if ( pollingfd < 0 )
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// report error
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// Initialize the epoll structure in case more members are added in future
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struct epoll_event ev = { 0 };
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// Associate the connection class instance with the event. You can associate anything
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// you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1
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ev.data.ptr = pConnection1;
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// Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event
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ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
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// Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is
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// waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added
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if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 )
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// report error
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// Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen)
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struct epoll_event pevents[ 20 ];
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// Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array
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int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 );
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// Check if epoll actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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// Check if any events detected
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for ( int i = 0; i < ret; i++ )
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{
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if ( pevents[i].events & EPOLLIN )
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{
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// Get back our connection pointer
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Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr;
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c->handleReadEvent();
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}
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}
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}
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```
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## select 和 poll 比较
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### 1. 功能
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它们提供了几乎相同的功能，但是在一些细节上有所不同：
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- select 会修改 fd_set 参数，而 poll 不会；
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- select 默认只能监听 1024 个描述符，如果要监听更多的话，需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译；
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- poll 提供了更多的事件类型。
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### 2. 速度
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poll 和 select 在速度上都很慢。
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- 它们都采取轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符，如果描述符很多，那么速度就会很慢；
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- select 只使用每个描述符的 3 位，而 poll 通常需要使用 64 位，因此 poll 需要在用户进程和内核之间复制更多的数据。
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### 3. 可移植性
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几乎所有的系统都支持 select，但是只有比较新的系统支持 poll。
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## eopll 工作模式
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epoll_event 有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。
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### 1. LT 模式
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当 epoll_wait() 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用 epoll_wait() 时，会再次响应应用程序并通知此事件。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。
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### 2. ET 模式
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当 epoll_wait() 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用 epoll_wait() 时，不会再次响应应用程序并通知此事件。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。
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## 应用场景
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很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select poll 都是历史遗留问题，并没有什么应用场景，其实并不是这样的。
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### 1. select 应用场景
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select() poll() epoll_wait() 都有一个 timeout 参数，在 select() 中 timeout 的精确度为 1ns，而 poll() 和 epoll_wait() 中则为 1ms。所以 select 更加适用于实时要求更高的场景，比如核反应堆的控制。
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select 历史更加悠久，它的可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。
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### 2. poll 应用场景
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poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持应该采用 poll 且对实时性要求并不是十分严格，而不是 select。
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需要同时监控小于 1000 个描述符。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。
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需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的。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。
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### 3. epoll 应用场景
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程序只需要运行在 Linux 平台上，有非常大量的描述符需要同时轮询，而且这些连接最好是长连接。
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### 4. 性能对比
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[epoll Scalability Web Page](http://lse.sourceforge.net/epoll/index.html)
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# 参考资料
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- Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.
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- [Boost application performance using asynchronous I/O](https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/)
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||
- [Synchronous and Asynchronous I/O](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365683(v=vs.85).aspx)
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||
- [Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解](https://segmentfault.com/a/1190000003063859)
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||
- [poll vs select vs event-based](https://daniel.haxx.se/docs/poll-vs-select.html)
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