IO模型及select，poll，epoll和kqueue的区别

Posted 2023-03-20

（一）首先，介绍几种常见的I/O模型及其区别，如下：
blocking I/O
nonblocking I/O
I/O multiplexing (select and poll)
signal driven I/O (SIGIO)
asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)—————异步IO模型最大的特点是 完成后发回通知。
阻塞与否，取决于实现IO交换的方式。
异步阻塞是基于select，select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄.
异步非阻塞直接在完成后通知，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。

1 blocking I/O
这个不用多解释吧，阻塞套接字。下图是它调用过程的图示：

重点解释下上图，下面例子都会讲到。首先application调用 recvfrom()转入kernel，注意kernel有2个过程，wait for data和copy data from kernel to user。直到最后copy complete后，recvfrom()才返回。此过程一直是阻塞的。

2 nonblocking I/O：
与blocking I/O对立的，非阻塞套接字，调用过程图如下：

可以看见，如果直接操作它，那就是个轮询。。直到内核缓冲区有数据。

3 I/O multiplexing (select and poll)
最常见的I/O复用模型，select。

select先阻塞，有活动套接字才返回。与blocking I/O相比，select会有两次系统调用，但是select能处理多个套接字。

4 signal driven I/O (SIGIO)
只有UNIX系统支持，感兴趣的课查阅相关资料

与I/O multiplexing (select and poll)相比，它的优势是，免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理。

5 asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)
很少有*nix系统支持，windows的IOCP则是此模型

完全异步的I/O复用机制，因为纵观上面其它四种模型，至少都会在由kernel copy data to appliction时阻塞。而该模型是当copy完成后才通知application，可见是纯异步的。好像只有windows的完成端口是这个模型，效率也很出色。
6 下面是以上五种模型的比较

可以看出，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。
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5种模型的比较比较清晰了，剩下的就是把select,epoll,iocp,kqueue按号入座那就OK了。
select和iocp分别对应第3种与第5种模型，那么epoll与kqueue呢？其实也于select属于同一种模型，只是更高级一些，可以看作有了第4种模型的某些特性，如callback机制。
为什么epoll,kqueue比select高级？
答案是，他们无轮询。因为他们用callback取代了。想想看，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。
windows or *nix （IOCP or kqueue/epoll）？

诚然，Windows的IOCP非常出色，目前很少有支持asynchronous I/O的系统，但是由于其系统本身的局限性，大型服务器还是在UNIX下。而且正如上面所述，kqueue/epoll 与 IOCP相比，就是多了一层从内核copy数据到应用层的阻塞，从而不能算作asynchronous I/O类。但是，这层小小的阻塞无足轻重，kqueue与epoll已经做得很优秀了。
提供一致的接口，IO Design Patterns
实际上，不管是哪种模型，都可以抽象一层出来，提供一致的接口，广为人知的有ACE,Libevent（基于reactor模式）这些，他们都是跨平台的，而且他们自动选择最优的I/O复用机制，用户只需调用接口即可。说到这里又得说说2个设计模式，Reactor and Proactor。见：Reactor模式--VS--Proactor模式。Libevent是Reactor模型，ACE提供Proactor模型。实际都是对各种I/O复用机制的封装。
Java nio包是什么I/O机制？
现在可以确定，目前的java本质是select()模型，可以检查/jre/bin/nio.dll得知。至于java服务器为什么效率还不错。。我也不得而知，可能是设计得比较好吧。。-_-。
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总结一些重点：
只有IOCP是asynchronous I/O，其他机制或多或少都会有一点阻塞。
select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善
epoll, kqueue、select是Reacor模式，IOCP是Proactor模式。
java nio包是select模型。。
（二）epoll 与select的区别

1. 使用多进程或者多线程，但是这种方法会造成程序的复杂，而且对与进程与线程的创建维护也需要很多的开销。（Apache服务器是用的子进程的方式，优点可以隔离用户） （同步阻塞IO）

2.一种较好的方式为I/O多路转接（I/O multiplexing）（貌似也翻译多路复用），先构造一张有关描述符的列表（epoll中为队列），然后调用一个函数，直到这些描述符中的一个准备好时才返回，返回时告诉进程哪些I/O就绪。select和epoll这两个机制都是多路I/O机制的解决方案，select为POSIX标准中的，而epoll为Linux所特有的。

区别（epoll相对select优点）主要有三：
1.select的句柄数目受限，在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：#define __FD_SETSIZE 1024 表示select最多同时监听1024个fd。而epoll没有，它的限制是最大的打开文件句柄数目。

2.epoll的最大好处是不会随着FD的数目增长而降低效率，在selec中采用轮询处理，其中的数据结构类似一个数组的数据结构，而epoll是维护一个队列，直接看队列是不是空就可以了。epoll只会对"活跃"的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数（把这个句柄加入队列），其他idle状态句柄则不会，在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO。但是如果绝大部分的I/O都是“活跃的”，每个I/O端口使用率很高的话，epoll效率不一定比select高（可能是要维护队列复杂）。

3.使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。

关于epoll工作模式ET，LT

epoll有两种工作方式
ET：Edge Triggered，边缘触发。仅当状态发生变化时才会通知，epoll_wait返回。换句话，就是对于一个事件，只通知一次。且只支持非阻塞的socket。
LT：Level Triggered，电平触发（默认工作方式）。类似select/poll,只要还有没有处理的事件就会一直通知，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll.支持阻塞和不阻塞的socket。

三 Linux并发网络编程模型

1 Apache 模型，简称 PPC （ Process Per Connection ，）:为每个连接分配一个进程。主机分配给每个连接的时间和空间上代价较大，并且随着连接的增多，大量进程间切换开销也增长了。很难应对大量的客户并发连接。
2 TPC 模型（ Thread Per Connection ）：每个连接一个线程。和PCC类似。
3 select 模型：I/O多路复用技术。
.1 每个连接对应一个描述。select模型受限于 FD_SETSIZE即进程最大打开的描述符数linux2.6.35为1024,实际上linux每个进程所能打开描数字的个数仅受限于内存大小，然而在设计select的系统调用时，却是参考FD_SETSIZE的值。可通过重新编译内核更改此值，但不能根治此问题，对于百万级的用户连接请求 即便增加相应 进程数， 仍显得杯水车薪呀。
.2select每次都会扫描一个文件描述符的集合，这个集合的大小是作为select第一个参数传入的值。但是每个进程所能打开文件描述符若是增加了 ，扫描的效率也将减小。
.3内核到用户空间，采用内存复制传递文件描述上发生的信息。
4 poll 模型：I/O多路复用技术。poll模型将不会受限于FD_SETSIZE，因为内核所扫描的文件 描述符集合的大小是由用户指定的，即poll的第二个参数。但仍有扫描效率和内存拷贝问题。
5 pselect模型：I/O多路复用技术。同select。
6 epoll模型：
.1)无文件描述字大小限制仅与内存大小相关
.2)epoll返回时已经明确的知道哪个socket fd发生了什么事件，不用像select那样再一个个比对。
.3)内核到用户空间采用共享内存方式，传递消息。
四 ：FAQ
1、单个epoll并不能解决所有问题，特别是你的每个操作都比较费时的时候，因为epoll是串行处理的。 所以你有还是必要建立线程池来发挥更大的效能。
2、如果fd被注册到两个epoll中时，如果有时间发生则两个epoll都会触发事件。
3、如果注册到epoll中的fd被关闭，则其会自动被清除出epoll监听列表。
4、如果多个事件同时触发epoll，则多个事件会被联合在一起返回。
5、epoll_wait会一直监听epollhup事件发生，所以其不需要添加到events中。
6、为了避免大数据量io时，et模式下只处理一个fd,其他fd被饿死的情况发生。linux建议可以在fd联系到的结构中增加ready位，然后epoll_wait触发事件之后仅将其置位为ready模式，然后在下边轮询ready fd列表。 参考技术A 1 Select、Poll与Epoll简介

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：

1 单个进程可监视的fd数量被限制

2 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

3 对socket进行扫描时是线性扫描

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，但是同样有一个缺点：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。

poll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。

在前面说到的复制问题上，epoll使用mmap减少复制开销。

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

注：水平触发（level-triggered）——只要满足条件，就触发一个事件(只要有数据没有被获取，内核就不断通知你)；边缘触发（edge-triggered）——每当状态变化时，触发一个事件。

2 性能比较

由于博主并没有提供测试的机器参数，以及测试程序代码，所以这个性能测试只能够算是一个补充吧，对于epoll在大量fd情况下优势的直观展示。

表格左侧是描述符集合的大小，右侧分别表示1s对poll和epoll的调用次数，也就是性能瓶颈。

从上表可以看出当fd数量较少的时候poll略优于epoll，但是当fd增大到某个阈值时，poll性能急剧下降。而epoll始终保持的稳定的性能。

3 使用

当同事需要保持很多的长连接，而且连接的开关很频繁时，就能够发挥epoll最大的优势了。这里与服务器模型其实已经有些交集了。

同时需要保持很多的长连接，而且连接的开关很频繁，最高效的模型是非阻塞、异步IO模型。而且不要用select/poll，这两个API的有着O(N)的时间复杂度。在Linux用epoll，BSD用kqueue，Windows用IOCP，或者用libevent封装的统一接口（对于不同平台libevent实现时采用各个平台特有的API），这些平台特有的API时间复杂度为O(1)。

然而在非阻塞，异步I/O模型下的编程是非常痛苦的。由于I/O操作不再阻塞，报文的解析需要小心翼翼，并且需要亲自管理维护每个链接的状态。并且为了充分利用CPU，还应结合线程池，避免在轮询线程中处理业务逻辑。

但这种模型的效率是极高的。以知名的http服务器nginx为例，可以轻松应付上千万的空连接+少量活动链接，每个连接连接仅需要几K的内核缓冲区，想要应付更多的空连接，只需简单的增加内存（数据来源为淘宝一位工程师的一次技术讲座，并未实测）。这使得DDoS攻击者的成本大大增加，这种模型攻击者只能将服务器的带宽全部占用，才能达到目的，而两方的投入是不成比例的。

注：长连接——连接后始终不断开，然后进行报文发送和接受；短链接——每一次通讯都建立连接，通讯完成即断开连接，下次通讯再建立连接。本回答被提问者采纳 参考技术B select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写