浅析IO模型

在之前的同步异步文章中埋了个坑，今天就来填一下吧。当CPU发起IO调用，需要读取文件里的东西时，由于IO处理的速度没有CPU那么快，因此，通常都是CPU在等待IO处理完毕返回数据。当IO处理中到CPU拿到文件数据，这里存在几种IO模型，分别是read，select，poll，epoll，kqueue。在此先说一下fd，系统在读写文件的时候，需要文件描述符(file descriptor简称fd)，当调用系统内核来进行文件操作时，内核会返回一个文件描述符，若要知道IO是否处理完毕，只需查看fd中的事件状态即可，即程序调用内核时就是查看这个状态，来判断是否完成操作的。下面就简单介绍下这几种IO模型。

read

这是原始的轮询模式，当CPU发起IO调用时，处于等待状态，然后IO就去处理，然后就重复的检查fd的事件状态，当事件状态为处理完毕后，读出完整数据。这种做法比较原始以及性能较差。

select

select是在read上的改进，有一个数组负责存着一堆文件描述符，然后遍历数组中的文件描述符来检查当中的事件状态，当某个文件已经处理完毕之后，就进行一次read操作来读取完整数据，然后交给应用。

select的缺点有两个。①是存放文件描述符的数组大小有限，一个进程处理的文件描述符(fd)数有限(cat /proc/sys/fs/file-max).32位机默认是1024个。64位机默认是2048.②随着fd的增多，会造成性能线性下降的问题(主因线性遍历)。

poll

poll则是在select的基础上进行改良，采用链表的数据结构来存储文件描述符，以解决select的数组大小限制问题。但是还是需要线性遍历，因此select的第二个缺点还是无法避免。

epoll

epoll只能在Linux使用。epoll是目前性能强劲的io复用模型，epoll的原理是每当操作文件时，都有一个回调函数与fd相对应，当io操作完毕后，就会调用这个回调函数来通知应用获取数据。

epoll中由三个函数，分别是epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait。

#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_create用于创建epoll句柄，然后epoll来监听管理一定量的文件描述符。当然这个句柄本身就占一个fd。

epoll_ctl用于控制管理一个epoll句柄下面N个的fd，比如可以对一个epoll句柄下的某个fd进行增删该事件监听，这里监听的事件指的是epoll观察指定fd的状态，比如某个fd需要读写数据等。

struct epoll_event
{  
    __uint32_t events;   
    epoll_data_t data;  
};
typedef union epoll_data
{  
    void *ptr;  
    int fd;  
    __uint32_t u32;  
    __uint64_t u64;  
} epoll_data_t;

epoll_wait,根据触发方式(水平触发或者边缘触发)，来收集刚刚epoll_ctl中已注册并且触发的事件(就绪链表)，比如收集了fd为2,3的已经触发的事件，然后把这些事件赋值给一个数组(参数二中的events数组)，如果没有超时(timeout)，epoll_wait就会返回 触发事件的数目 ,然后去指定事件数组里拿相应数目的文件描述符(epoll_event储存了许多信息，里面的data就包含文件描述符)即可，这样就可以达到不复制文件描述符省去巨大的开销。同时也epoll只需拿到触发事件的文件描述符及其结果，而不像select和poll一样把不活跃的fd都一同获取了。

虽然说epoll_wait也是像select和poll一样需要轮询，不过它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空。另外epoll使用了mmap(内存映射技术)，加速与内核与用户空间的消息传递，避免不必要的内存拷贝。

kqueue

kqueue与epoll一样都是基于事件的方式来处理IO复用的问题，只是kqueue是应用在BSD系统上，在此就不在赘述。

水平触发 & 边缘触发

LT：水平触发，支持阻塞和非阻塞io，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。select和poll只支持水平触发。

ET：边缘触发，仅支持非阻塞io，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。epoll支持边缘触发。