五种IO模型
1:阻塞IO:
再内核将数据准备好之前,系统调用会一直等待;(所有的套接字默认都是阻塞方式)

2:非阻塞IO:
如果内核未将数据准备好,系统调用仍然会直接返回,并且返回EWOULDBLOCK错误码。(非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符,这个过程成为轮回。对cpu来说是很大的浪费,往往只在特定的场景使用)

3:信号驱动IO:
如果将数据准备好的时候,使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

4:IO多路转接:
相较于信号驱动IO,多路转接IO能够同时等待多个文件描述符的就绪状态;对描述符进行监控,避免了因为描述符没有就绪而导致的阻塞。下面我们会介绍select,poll,epoll模型。

5:异步IO:
由内核在数据拷贝完成时,通知应用程序。

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:

  (1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。

  (2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。

  (3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。

  (4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。

  (5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。

select

select函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。

select的几大缺点:

1)每次调用select,都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在fd很多时会很大

2)同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd,这个开销在fd很多时也很大

3)select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024

poll

poll本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。

 

epoll:

epoll支持水平触发和边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次。还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知

 

epoll的优点:

1、没有最大并发连接的限制,能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口);

2、效率提升,不是轮询的方式,不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数;

     即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3、 内存拷贝,利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即epoll使用mmap减少复制开销。

 

区别

1、支持一个进程所能打开的最大连接数

  select:单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是3232,同理64位机器上FD_SETSIZE为3264),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。

  poll:poll本质上和select没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的

  epoll:虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接

2、FD剧增后带来的IO效率问题

  select:因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。

  poll:同上

  epoll:因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的,只有活跃的socket才会主动调用callback,所以在活跃socket较少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。

3、 消息传递方式

  select:内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作

  poll:同上

  epoll:epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。