八、網絡服務I/O模型

8.1、四種的I/O模型

  在操作系統中，進程無法直接操作I/O設備，其必須通過系統調用請求kernel來協助完成I/O動作，而內核會為每個I/O設備維護一個buffer。進程與I/O之間的通信模型如圖所示。

  對于輸入而言，等待(wait)數據輸入至buffer需要時間，而從buffer復制(copy)數據至進程也需要時間。根據調用者與被調用者的不同就有四種I/0模型。

8.2、五種網絡服務I/0模型

 根據等待模式不同，I/O動作可分為五種模式：

同步阻塞：進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成。

同步非阻塞：非阻塞IO通過進程反復調用IO函數（多次系統調用，并馬上返回）；在數據拷貝的過程中，進程是阻塞的。

I/O 復用：主要是select和epoll；對一個IO端口，兩次調用，兩次返回，比阻塞IO并沒有什么優越性；關鍵是能實現同時對多個IO端口進行監聽。

異步IO：數據拷貝的時候進程無需阻塞。

信號驅動：兩次調用，兩次返回。

五種IO模型的比較：

8.3、select/poll/epoll

select

  本質上是通過設置或者檢查存放fd標志位的數據結構來進行下一步處理，但是單個進程可監視的fd數量被限制，即能監聽端口的大小有限。對socket進行掃描時是線性掃描，即采用輪詢的方法，效率較低，需要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時復制開銷大。 

# cat /proc/sys/fs/file-max    #查看可監聽fd的數量

poll

  本質上和select沒有區別，它將用戶傳入的數組拷貝到內核空間，然后查詢每個fd對應的設備狀態，其沒有最大連接數的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的，但是同樣有一個缺點：大量的fd的數組被整體復制于用戶態和內核地址空間之間，而不管這樣的復制是不是有意。 poll還有一個特點是“水平觸發”，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

  支持水平觸發和邊緣觸發，最大的特點在于邊緣觸發，它只告訴進程哪些fd剛剛變為就需態，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，內核就會采用類似callback的回調機制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。

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