IO多路复用

Posted 2021-07-28 狗蛋儿l

1.I/O多路复用之select模型

1.1 select模型服务端的流程

1.2 bitmap位图

_FD_SETSIZE可以重新定义它的值的大小，但是实际应用开发不推荐这样使用，因为如果有更多socket的时候可以选择poll模型或者epoll模型。

1.3 select水平触发

select采用水平触发的方式，如果报告fd后事件没有被处理或者数据没有被完全读取，那么下次select时会再次报告该id，也就是说select不会丢失事件和数据。

1.4 select的缺点

select支持的文件描述符数量太小，默认是1024。虽然可以调整，但是描述符数量越大，效率就会更低，因此调整的意义不大。
每次调用select，都需要把fdset从用户态拷贝到内核态。
同时在线的大量客户端有事件发生的可能性太小，但是还是需要遍历fdset。因此随着监视的描述符数量增长，其效率也会线性降低。

2.I/O多路复用之poll模型

2.1 poll模型与select模型比较

poll和select在本质上没有差别，管理多个描述符也是进行轮询。根据描述符的状态进行处理，但是poll模型没有最大文件描述符数量的限制。
select的fdset采用bitmap，poll采用数组。
poll和select同样存在一个缺点，文件描述符的数组被整体复制与用户态和内核态的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否有事件，它的开销随着文件描述符数量的增长而线性增大。还有poll返回后，也需要遍历整个描述符的数组才能得到有事件的描述符。

2.2 poll函数和参数

函数原型：*int poll(struct pollfd fds, int timeout);。
pollfd的结构体：

int fd;    //file descriptor;
short events;  //requested events;
short revents; //returned events;

3.I/O多路复用之epoll模型

3.1 epoll模型相对poll模型的改进

epoll模型解决了select和poll所有问题，包括fdset轮询和拷贝，采用更加合理的设计和实现方案。

3.2 水平触发

水平触发：如果报告fd后事件没有被处理或者数据没有被全部读取，那么epoll会立即再报告该fd。
优点：当进行socket通信的时候，保证数据的完整输出，进行IO操作的时候，如果还有数据，就会一直的通知。
缺点：由于只要还有数据，内核就会不停的在内核空间和用户空间切换，所以占用大量内核资源。试想一下当有大量数据到来的时候，每次读取一个字节，这样就会不停的进行切换，内核资源的浪费严重，效率来讲也是很低的。
应用场景：数据比较小。

3.3 边缘触发

边缘触发：如果报告fd后事件没有被处理或者数据没有被全部读取，那么epoll会下次再报告该fd。
优点：每次内核只会通知一次，大大减少内核资源的浪费，提高效率。
缺点：不能保证数据的完整。不能及时的取出所有的数据。
应用场景：数据比较大，包括nginx等等。

3.4 epoll函数和参数

创建epoll的句柄，本身就是一个fd：int epoll_create(int size);。
注册需要监视fd和事件：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);。
等待事件发生：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event, int maxevents, int timeout);。

4.IO五种模型

4.1 阻塞IO

最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。
典型的阻塞IO模型的例子为：data = socket.read();。

4.2 非阻塞IO

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。
事实上在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。
典型的非阻塞IO模型一般如下：

while(true){
   data = socket.read();
   if(data!= error){
       /*处理数据*/
       break;
   } 
}

4.3 IO多路复用

详情参考IO多路复用。

4.4 信号驱动IO

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中，对TCP套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生什么事情。

4.5 异步IO

异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它收到到一个asynchronous read之后会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。
也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。