Linux的IO模型

一个IO输入操作通常包括两个阶段：

• 等待数据准备好
• 从内核向进程复制数据

对于一个套接字：

• 第一步则是等待数据从网络中到达。当数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。
• 第二部就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix有五种I/O模型

• 阻塞式I/O
• 非阻塞式I/O
• IO复用
• 信号驱动I/O
• 异步I/O

阻塞式I/O

这是最简单的I/O，意味着我们发起一次I/O操作后一直等待成功或者失败，期间是阻塞的不能做其他事情。

非阻塞式I/O

通过轮询的方式查看IO数据是否准备完毕，要么数据准备好了、IO操作成功；要么IO数据没准备好，返回错误码。
因为要不停的执行系统调用来查询I/O是否已经准备完毕，所以CPU要处理更多的系统调用，所以这种模型的CPU利用率低。

I/O复用

使用select或者poll等待数据，等待套接字中的任何一个事件变为可读，这一过程会被阻塞。
当有事件可读时，使用recvfrom把数据从内核复制到进程。

I/O复用让单个进程具有处理多个I/O事件的能力，即事件驱动I/O

当对于连接较多的情况，如果没有I/O复用，那么每一个socket连接都需要创建一个线程进行处理，那么线程切换的开销是很大的，有了I/O复用不需要进程去创建多个线程以及线程切换的开销。

信号驱动I/O

等待数据阶段同样为非阻塞的。内核在数据到达时向进程发送SIGIO信号，进程收到后在信号处理程序中，调用相关函数完成IO。
信号驱动IO在网络编程时很少用到，因为在网络环境中，和socket相关的读写事件太多，这导致了SIGIO信号种类也太过，以至于我们没有办法去通过信号处理函数去区分不同信号。
所以SIGIO值应该在IO事件单一情况下使用，比如用来监听某个端口的socket。

异步I/O

异步I/O和信号驱动I/O类似，差别主要在于：信号驱动IO的信号是通知应用进程可以开始IO，而异步IO是通知进程IO的完成。

同步IO和异步IO

第二阶段无阻塞发发生，则为异步IO

I/O复用

select

select监听一组文件描述符，等待一个或者多个文件描述符成为就绪状态，总而完成IO操作。
select的特点：

• 文件描述符组采用数组实现，数组大小使用FD_SETSIZE(默认为1024)设定，只能注册并监听少于FD_SETSIZE数量的描述符。
• 有三种类型的描述符：readset，writeset，exceptset分辨对于读、写、异常。
• timeout为超时参数，调用select会一直阻塞直到描述符上的事件就绪。
• 成功调用返回结果大于0，出错返回-1，超时返回0

poll

poll 的功能与 select 类似，也是等待一组描述符中的一个成为就绪状态。

select和poll的主要区别

• select会修改描述符，而poll不会。
• select限定了大小默认为1024，改变需要重新编译，而poll没有描述符数量的限制。
• poll提供了更多的事件类型，对描述符的重复利用比select高

select的好处：

• select被更多系统支持，只有比较新的系统支持poll
• select提供精度更高的超时时间，而poll只支持到毫秒的精度。

epoll

epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。
已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理
epoll_wait() 在一个文件描述符中等待某个IO事件完成直至超时。

epoll的工作模式：

• level trigger：默认模式，当有数据可读时，每次调用epoll_wait都会返回以通知程序可以进行IO操作
• edge trigger：只有当文件描述符状态发生变化时，调用epoll_wait才会返回，如果第一次调用epoll_wait没有全部读完文件描述符中的数据，并且还没有新的数据写入，再次调用epoll_wait则不会有通知给到程序，因为文件描述符的状态没有变化。

epoll相较于其他IO复用

• 当需要监听的fd增加时，select和poll的O(N)的复杂度，epoll是O(1)，所以高性能的网络服务器都会选择epoll进行IO多路复用。但当fd小于1000时，差距并不会很大。
• 当需要需要监控的描述符状态变化多，而且十分短暂时，没有必要使用epoll，因为涉及到通过系统调用epoll_ctl()对文件描述符状态的修改，频繁调用会导致效率的降低。