IO模型 | IOTXING

一般来说一次IO操作包含两个步骤

内核准备数据
数据从内核拷贝到用户进程

常见的IO模型主要有以下几种

阻塞IO
非阻塞IO
多路复用IO
信号驱动IO
异步IO

阻塞IO

在读写过程中发生阻塞。用户线程发生IO请求之后，内核就会去进行处理，在处理完成之前，就会一直阻塞着用户的线程，只有当数据准备完成之后，内核才会将数据拷贝到用户线程中，然后用户线程才会结束阻塞状态。

非阻塞IO

用户进程发起IO请求之后，如果数据还没有准备好，内核会回复还未就绪，然后进程不停的去轮询，直到数据准备就绪。当数据准备好之后，就会执行数据的拷贝，将数据从内核拷贝到用户空间，完成之后就会结束该次IO请求。

类似于下面代码

while(true){
	if(data.ready()){
		xxx
		break;
	}
	xxx;
}

非阻塞IO虽然不会阻塞线程，但是因为有轮询，所以会不停的消耗CPU，倒是资源的浪费。

多路复用IO

多路复用，是通过使用一个线程来监听所有的socket，一旦有一个socket的数据就绪了，就会通知对应的socket去进行数据的拷贝。使用多路复用会阻塞进程，跟阻塞IO有点类似。多路复用一般搭配非阻塞IO，因为多路复用里面会有很多个socket连接，可能有些有返回，有些没有返回，在处理当前的socket的时候，也不知道下一个是否会是就绪，如果使用阻塞io，就会阻塞住整个线程

在发生实际的IO拷贝之前，多路复用模型并不会占用IO资源。

异步IO

异步IO是一种异步的返回方式，用户发起IO请求之后，就会立即返回，然后去处理其他事情。对内核而言，接收到用户的IO的请求之后，会立马返回，不会阻塞。当数据准备好之后，会将数据从内核拷贝到用户空间去，完成之后会向用户进程发送一个信号，通知操作完成。对于用户而言，只需要发起请求即可，然后等待信号，就可以直接去使用数据了，不用关心具体的IO操作

信号驱动IO

用户进程发起IO请求之后，会为socket注册一个信号函数，然后用户进程继续执行，内核开始准备数据。在内核数据准备完成之后，会调用信号函数通知用户，然后有用户开始请求数据的拷贝，只到拷贝完成。该IO主要用于UDP中。

多路复用IO中的selector

在说到IO的内容时，必不可少的一个知识点就是文件描述符fd。在linux中，万物都可看做一个文件，而linux是通过文件描述符来表示一个文件的，之后的操作都会基于fd来进行操作。其中有三个标识符，0，1，2是linux系统共专用的，分别用来表示标准输入，标准输出以及标准错误。一个socket请求，对linux而言也是一个fd。

IO复用，指的是多个请求复用一个进程来进行io操作，虽然同一时间可能会有很多个请求执行IO操作，但是大部分的数据可能还没有准备好，因此并不会实际执行IO操作，一旦有数据可以就绪了，就会执行IO服务。

IO复用中有三种方式来监听数据的状态

select
poll
epoll

select()

在调用select之后，就会对当前进程阻塞，直到有fd就绪，或者等待超时，然后函数才会进行返回。在单个进程上面，select监听的文件描述符的最大数量为32位系统是1024，64位系统是2048。

在调用开始的时候，会把所有的fd拷贝到内核中，然后在内核中对所有的fd进行遍历，在fd很大的时候，select方式的效率会很低。

在有数据就绪的时候，select并不知道是哪个就绪了，因此只能通过轮询所有的fd来找到就绪的fd，来执行操作

#####poll()

本质上跟select差不多，只是poll是使用链表来存储fd，因此没有最大连接数的限制

epoll()

epoll有两种触发方式，ET和LT。ET方式，是在内核通知fd就绪之后，用户可以去执行操作，如果不执行的话，之后内核还是会继续通知。LT方式是就绪之后只会通知一次，即使没有处理也不会再次通知，直到下一次有新的请求就绪之后才会进行下一次通知。

epoll中有三个函数

int epoll_create(int size); 建立一個 epoll 对象，并传回它的id
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 事件注册函数，将需要监听的事件和需要监听的fd交给epoll对象
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); 等待注册的事件被触发或者timeout发生

在数据准备就绪的时候，就会被就绪的fd加入到一个就绪队列，然后epoll_wait会查看是否有就绪的fd，如果有的话，就唤醒就绪队列上面的等待者，然后调用回调函数.

在有大量的空连接的情况下，epoll的方式会比poll和select更加高效，因为它并不需要轮询所有的fd。

在连接数不多的情况下，poll和select会更加高效，因为epoll的通知需要很多的函数回调。

epoll 和select poll的区别

epoll没有文件数量的限制，epoll的最大文件数量跟linux系统支持打开的文件数量有关，而select在32上只支持1024，64位支持2048。poll因为使用链表，也没有限制
通知方式不同，select和poll是通过轮询，找到就绪的fd，而epoll是在fd就绪之后，会加入到就绪队列，然后只需要操作就绪队列中的fd即可，避免了无效的遍历。一个是主动轮询，一个是被动触发
epoll和poll因为需要遍历，所以需要把fd集合从进程中移动到内核中，该操作需要对资源进行小号。