linux系统——I/O模型

基本概念

同步/异步

同步是指在发送一个请求时，在该请求返回结果之前，就一直不返回。就是说，这件事做不完，不会做下一件事。 异步是指发送完请求就返回，不会等待请求响应。当该请求实际完成后，通过回调、通知等方式通知调用者。

阻塞/非阻塞

阻塞是指在结果返回前，当前线程会被挂起（cpu不会给该线程分配时间片，次此时线程暂停，不可执行）。与同步相比，同步至少没有结果就不返回，大多数情况下，此时线程还是激活的，还可以处理别的事，只是没有返回结果而已。 非阻塞是指如果不能立即返回结果，该函数不会阻塞当前线程，而是立即返回。

同步/异步 vs. 阻塞/非阻塞

同步/异步是指访问数据的机制，二者的区别其实就是，数据读写（拷贝）的时候是否阻塞。

同步是指主动请求并等待I/O操作完，当数据ready后，在读写的时候必须是阻塞的（就是说，数据从内核拷贝到用户空间时，当前的用户空间线程需要阻塞，等待数据拷贝完）。
异步是指主动请求数据后，便可以返回处理其他事，I/O操作完后会通知该该请求调用方（等“通知”），即使是在数据读写时也不会阻塞。

阻塞/非阻塞 是指当进程访问的数据没有ready时，进程是等待还是返回，这其实是函数内部实现机制的区别。二者的区别其实就是，应用程序的调用是否立即返回。

I/O多路复用

在处理I/O操作时，如果需要同时处理多个I/O请求，可以使用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。

I/O多路复用通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而可以使系统利用单线程处理多个I/O连接请求。这种方式，相比多线程来说，系统开销小。

目前支持I/O多路复用的系统调用有select,pool,epool等。

select模型

select模型大部分linux/unix系统都支持。
通过select函数发送I/O请求后，线程阻塞，一直到数据准备完毕，把数据从内核拷贝到用户空间，所以select是同步阻塞模式。
特点：
- 单个进程能监控的fd数目有限制

poll模型

与select类似，不过能监听的并发连接数没限制，因为是用链表存储

epoll模型

epoll是linux特有的事件处理机制。

能监听的并发连接数没有限制
效率提升：只关心活跃的fd（即达到ready状态的fd），与总连接数无关。
内存拷贝：使用内存映射(mmap)技术完成数据从内核传递到用户空间的功能（内核与用户空间共享同一块内存），加速了用户空间与内核空间传递数据的效率，减少了复制的开销。
由于epoll在内核中的实现是通过fd的callback函数进行消息传递的，在活跃的fd数量较少的情况下，性能比select和poll都要好，如果活跃的fd比较多的情况，性能也会下降。

水平触发/边缘触发 todo

epoll使用方法

step1: 创建epoll文件描述符

 
 int epoll_create(int size)
 

说明：创建好epoll句柄后，会占用一个fd，所以使用完epoll后需要调用close()关闭，释放调该fd（fd的总数是有限的）。

step2: 注册fd

 
 /*参数epfd是epoll_create的返回值*/

 /*
 * 参数op表示动作，用三个宏表示：
 * 1) EPOLL_CTL_ADD——注册新的fd到epfd中；
 * 2) EPOLL_CTL_MOD——修改已经注册的fd的监听事件；
 * 3) EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
 */
 
 /*参数fd代表要监听的fd*/
 
 /*参数event告诉内核要做什么事*/ 
 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
 

step3: 收集epoll监控的事件中，发生的事件

/*参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

I/O多路复用模式

I/O多路复用机制一般都依赖一个事件多路分离器，分离器负责将来自I/O事件源的读写事件分离出来，并分发到对于的read/write事件处理器。根据事先注册的I/O事件及相应的事件处理函数（回调函数），事件分离器事件类型调用相应的事件处理函数。与事件分离器相关的模式有reactor和proactor，其中reactor模式采用同步I/O，proactor模式采用异步I/O（reactor和proactor是一种I/O设计模式）。

reactor模式

工作流程如下：

注册读就绪事件和相应的事件处理器
事件分离器等待事件发生（读就绪事件）
事件到来，激活分离器，调用相应的读事件处理器
事件处理器完成实际的读操作，并处理读到的数据，注册新的事件，并返还控制权

proactor模式