I/O模型演变

Posted 2022-01-27 EileenChang

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• 1 BIO
• 2 NIO
• 3 select
• 4 epoll

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1 BIO

  在Linux系统早期，由于socket是阻塞的，用户进程需要阻塞等待请求到达，所以需要为每个socket开启一个进程。这时缺点显而易见，开启越多的进程则需要越多的内存，同时CPU的调度成本也会上升。

2 NIO

  随着Linux系统的不断完善，socket可以是非阻塞了。这时，用户空间只需要开启一个进程，轮询所有的socket，解决了BIO时期需要开启多个进程的问题。但是，这个方案依然有问题，如果有很多个socket，意味着用户进程需要访问多次内核调用，这依然需要很高的成本。

3 select

  当Linux有了select之后，用户进程可以一次把所有的socket文件描述通过select调用传递给内核，由内核遍历并筛选出就绪的socket文件描述符返回给用户进程，这样用户进程只需要遍历少量的文件描述符。

  但是，这个方案也有缺点，那就是用户空间和内核空间是通过select进行数据传输，而且select每次最多只能传输1024个文件描述符，这种用户空间和内核空间的来回拷贝数据也是需要很高的成本。

4 epoll

  epoll提供了三个系统调用：

• epoll_create：创建一个epoll实例并返回其文件描述符。
• epoll_ctl：往epoll中注册指定的文件描述符。
• epoll_wait：阻塞等待注册的事件发生，返回事件的数目，并将触发的事件写入events数组中。

  epoll相比于select，其优越之处在于，因为select每次调用时都要传递需要监控的所有socket给内核，这意味着需要将用户态的socket列表拷贝到内核空间，如果数以万计的句柄会导致每次都要拷贝几十几百KB的内存到内核态，非常低效。而我们调用epoll_wait时就相当于调用select，但是这时却不用传递socket句柄给内核，因为内核已经通过epoll_ctl拿到了要监控的句柄列表。
  epoll在初始化时，会开辟出epoll自己的内核高速缓冲区，用于存放每一个我们想监控的socket，这些socket会以红黑树的结构存储，以支持快速的查找、插入、删除。
  epoll的高效就在于，当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_wait仍然可以快速返回，并有效地将发生事件的句柄给用户进程。这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了建立一个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。
  而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已。