5种常见的IO模型及IO复用

Posted 2021-04-25 胖虎code

背景

 在Redis的客户端连接时处理网络连接的模型为多路I/O复用，这个概念咋一看这么熟悉，哦，原来我之前面试某家公司时，吃了这个亏，哎，多少有些可惜。

前言

 在了解网络模型之前，对于一个程序和操作系统，我们还要准备个知识：用户空间(application)和内核空间(kernel)。用户空间是和其他进程共享，也就是进程的私有空间PCB，而进程无法访问内核空间，需要将数据从内核空间复制到用户空间，进程才能读取。

5种IO类型

 本文讨论的是Linux下的网络IO,一般的分为五种：

• 阻塞IO    (Blocking IO)
  

• 非阻塞IO  (nonBlocking IO)
  

• 多路IO    (multiplexing)
  

• 信号驱动   (signal driven)
  

• 异步IO     (Asynchronous IO)

 以及介绍多路IO中的select、poll、和epoll。

例1：小明在客厅看电视，然后厨房在烧水，你等着水煮泡面。

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阻塞IO

 什么是阻塞IO，简言之，阻塞罢了，在例1中，阻塞IO就是，你一直等在厨房，而不能去看电视。在程序中，监听一个端口，当没有数据返回，就一直等在那，不能继续下面的操作。如下图：

 
 图中，程序调用recvfrom，从内核中获取数据，而内核一直没准备好，进程就一直阻塞于此，直到数据准备好datagram ready，复制数据到用户区，然后由具体的执行命令读取数据。

 在程序中，我们应对阻塞IO的解决办法，一般都线程池连接池等，具体是单个线程负责一个连接，但是对于并发连比较大，以上就不是用了；

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非阻塞IO

 对于例1，小明的做法是，一边在客厅看电视，每隔一段时间去厨房看看。在程序中，就需要进程不断系统调用，去查看内核是否准备好数据，一旦准备好，执行上面阻塞IO的操作。
在Linux 中可以利用fcntl()方法将的套接字socket默认从阻塞改成非阻塞。

在非阻塞下, recvfrom返回值为：

0,表示接收到的字节数;
=0，表示连接已断开；
==-1,且errno等于EAGAIN，表示内核还没准备好数据；
==-1,且errno不等于EAGAIN,表示调用出错。

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多路IO复用

 在例1的基础上，小明同时烧多壶水，而且基于水壶的定制的通知机制，等到某壶水烧好了，发出独特的叫声，这样小明就可以具体处理哪一壶水。
 以上是epoll的多路IO复用模型，而对于select、poll水壶就没有定制的铃声，就需要去挨个查看。

以select为例：

 程序是阻塞于select的，等到数据准备好了【将数据复制到了用户区】，然后挨个轮询，找出对应的文件描述符，处理相应的读写。

对于select、poll、epoll各自的优缺点呢？

select

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select (int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/* Returns: positive count of ready descriptors, 0 on timeout, –1 on error */

• 读写需要将文件描述符从用户区拷贝到内核区，开销大
  

• 支持的客户端文件描述符有限。
  

poll

#include <sys/poll.h>

int poll (struct pollfd *fdarray, unsigned long nfds, int timeout);

/* Returns: count of ready descriptors, 0 on timeout, –1 on error */

• 和select类似，不同的是，基于链表来存储的，但也需要去轮询。

epoll

#include <sys/epoll.h>

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是线程安全的，而select、poll不是的;
  

• epoll内部使用mmap()共享了内核和用户的部分空间，减少了来回复制；
  

• epoll基于事件驱动，先制造一个句柄，再注册套接字，最后去轮询准备好了的事件，避免了整个的轮询；
  

信号驱动

 如下图所示：

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异步IO

 在例1中，小明就不自己烧水了，而是“雇”其他人去烧水，自己做自己的事了。在程序中，读写完全由内核来处理。当用户发起异步的读操作，aio_read，不再阻塞任何，直接返回，等待内核准备数据，直到数据拷贝到用户内存，通知程序，操作完成。

 如下图：

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问题：

同步和异步:
  定义：【同步】直到IO操作完成之前，IO操作造成了请求程序的阻塞；
【异步】IO操作不会造成任何的阻塞。

以5中IO操作为具体例子，如图：

可以看到：

阻塞IO一直被阻塞，直到有数据；
非阻塞IO不被阻塞，直到有数据可读，程序执行具体的读写逻辑操作，此处被阻塞；
多路复用IO阻塞于epoll_wait，直到有数据，读写处再次被阻塞；
信号驱动，当内核出过来SIGIO后，执行读写逻辑操作处被阻塞；

异步IO完全交由内核，自己不做任何处理，不阻塞。

阻塞和非阻塞
同上。