八、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)I/O模型

8.1、四種的I/O模型

  在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程無法直接操作I/O設(shè)備，其必須通過系統(tǒng)調(diào)用請求kernel來協(xié)助完成I/O動作，而內(nèi)核會為每個I/O設(shè)備維護(hù)一個buffer。進(jìn)程與I/O之間的通信模型如圖所示。

  對于輸入而言，等待(wait)數(shù)據(jù)輸入至buffer需要時間，而從buffer復(fù)制(copy)數(shù)據(jù)至進(jìn)程也需要時間。根據(jù)調(diào)用者與被調(diào)用者的不同就有四種I/0模型。

8.2、五種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)I/0模型

 根據(jù)等待模式不同，I/O動作可分為五種模式：

同步阻塞：進(jìn)程會一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成。

同步非阻塞：非阻塞IO通過進(jìn)程反復(fù)調(diào)用IO函數(shù)（多次系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回）；在數(shù)據(jù)拷貝的過程中，進(jìn)程是阻塞的。

I/O 復(fù)用：主要是select和epoll；對一個IO端口，兩次調(diào)用，兩次返回，比阻塞IO并沒有什么優(yōu)越性；關(guān)鍵是能實現(xiàn)同時對多個IO端口進(jìn)行監(jiān)聽。

異步IO：數(shù)據(jù)拷貝的時候進(jìn)程無需阻塞。

信號驅(qū)動：兩次調(diào)用，兩次返回。

五種IO模型的比較：

8.3、select/poll/epoll

select

  本質(zhì)上是通過設(shè)置或者檢查存放fd標(biāo)志位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行下一步處理，但是單個進(jìn)程可監(jiān)視的fd數(shù)量被限制，即能監(jiān)聽端口的大小有限。對socket進(jìn)行掃描時是線性掃描，即采用輪詢的方法，效率較低，需要維護(hù)一個用來存放大量fd的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣會使得用戶空間和內(nèi)核空間在傳遞該結(jié)構(gòu)時復(fù)制開銷大。 

# cat /proc/sys/fs/file-max    #查看可監(jiān)聽fd的數(shù)量

poll

  本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個fd對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，其沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的，但是同樣有一個缺點(diǎn)：大量的fd的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核地址空間之間，而不管這樣的復(fù)制是不是有意。 poll還有一個特點(diǎn)是“水平觸發(fā)”，如果報告了fd后，沒有被處理，那么下次poll時會再次報告該fd。

epoll

  支持水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)，最大的特點(diǎn)在于邊緣觸發(fā)，它只告訴進(jìn)程哪些fd剛剛變?yōu)榫托钁B(tài)，并且只會通知一次。 使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll_ctl注冊fd，一旦該fd就緒，內(nèi)核就會采用類似callback的回調(diào)機(jī)制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。

  其優(yōu)點(diǎn)是沒有最大并發(fā)連接的限制：能打開的FD的上限遠(yuǎn)大于1024(1G的內(nèi)存上能監(jiān)聽約10萬個端口)效率提升：非輪詢的方式，不會隨著FD數(shù)目的增加而效率下降；只有活躍可用的FD才會調(diào)用callback函數(shù)，即epoll最大的優(yōu)點(diǎn)就在于它只管理“活躍”的連接，而跟連接總數(shù)無關(guān)。使用內(nèi)存拷貝方式，利用mmap()文件映射內(nèi)存加速與內(nèi)核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減少復(fù)制開銷。