I/O模型

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同步与异步

同步与异步主要是从消息通知机制角度来说的.

  • 所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列
  • 所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。

消息通知

异步的概念和同步相对。当一个同步调用发出后，调用者要一直等待返回消息（结果）通知后，才能进行后续的执行；当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到返回消息（结果）,实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

执行部件和调用者通过三种途径返回结果：状态、通知和回调。使用哪一种通知机制，依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。

  • 如果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低(Java Future)
  • 如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别(Guava Future)

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。

  • 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，一直处于等待消息通知，不能够执行其他业务

这里的阻塞调用与同步调用容易混淆：

对于同步调用来说，很多时候当前线程可能还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已，此时，这个线程可能也会处理其他的消息

  • 非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高CPU的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的CPU执行时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

用户空间与内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

文件描述符

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

缓存 I/O 的缺点：

数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

系统调用

进程想要获取磁盘中的数据，而能和硬件打交道的只能是内核，进程通知内核说我要磁盘中的数据，此过程就是系统调用。

一次I/O的完成的步骤:

当进程发起系统调用时，这个系统调用就进入内核模式，然后开始I/O操作

I/O操作分为两个步骤:

  • 1、磁盘把数据装载到内核的内存空间，
  • 2、内核的内存空间的数据copy到用户的内存空间中(此过程是I/O发生的地方)

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核总的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

进程获取数据的详细图解过程:

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整个过程：此进程需要对磁盘中的数据进行操作，则会向内核发起一个系统调用，然后此进程，将会被切换出去，此进程会被挂起或者进入睡眠状态，也叫不可中断的睡眠，因为数据还没有得到，只有等到系统调用的结果完成后，则进程会被唤醒，继续接下来的操作，从系统调用的开始到系统调用结束经过的步骤：

①进程向内核发起一个系统调用，

②内核接收到系统调用，知道是对文件的请求，于是告诉磁盘，把文件读取出来

③磁盘接收到来着内核的命令后，把文件载入到内核的内存空间里面

④内核的内存空间接收到数据之后，把数据copy到用户进程的内存空间(此过程是I/O发生的地方)

⑤进程内存空间得到数据后，给内核发送通知

⑥内核把接收到的通知回复给进程，此过程为唤醒进程，然后进程得到数据，进行下一步操作

五种I/O模型

  • 阻塞 I/O（blocking IO）
  • 非阻塞 I/O（nonblocking IO）
  • I/O 多路复用（ IO multiplexing）
  • 信号驱动 I/O（ signal driven IO）
  • 异步 I/O（asynchronous IO）

I/O发生的地方才会出现阻塞或非阻塞

阻塞：

进程发起I/O调用，进程又不得不等待I/O的完成，此时CPU把进程切换出去，进程处于睡眠状态则此过程为阻塞I/O; I/O完成，系统直接通知进程，则进程被唤醒

blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

阻塞I/O的图解

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非阻塞：

进程发起I/O调用，I/O自己知道需过一段时间完成，就立即通知进程进行别的操作，则为非阻塞I/O; 每隔一段时间，用户进程问内核数据是否准备完成，系统完成后，则进程获取数据，继续执行(此过程也称盲等待)

nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

非阻塞I/O的图解：

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I/O 多路复用

多路复用是指使用一个线程来检查多个文件描述符（Socket）的就绪状态，比如调用select和poll函数，传入多个文件描述符，如果有一个文件描述符就绪，则返回，否则阻塞直到超时。得到就绪状态后进行真正的操作可以在同一个线程里执行，也可以启动线程执行（比如使用线程池）。

有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

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当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

I/O复用的图解：

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这样在处理1000个连接时，只需要1个线程监控就绪状态，对就绪的每个连接开一个线程处理就可以了，这样需要的线程数大大减少，减少了内存开销和上下文切换的CPU开销。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接

信号驱动I/O

首先，允许套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

信号驱动 I/O 模式下，内核可以在复制的时候通知给我们的应用程序发送SIGIO 消息。

具体过程如下图:

sigio

异步I/O

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

异步I/O的图解：

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前四种I/O属于同步操作，最后的一种则属于异步操作

五种I/O模型的比较：

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I/O 多路复用之select、poll、epoll详解

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

  • select
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int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述副就绪（有数据可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。select的一 个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

  • poll
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int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个 pollfd的指针实现。

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struct pollfd {
    int fd; /* file descriptor */
    short events; /* requested events to watch */
    short revents; /* returned events witnessed */
};

pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式。同时，pollfd并没有最大数量限制（但是数量过大后性能也是会下降）。 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

从上面看，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

  • epoll

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

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int epoll_create(int size)；//创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大
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);

在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait() 时便得到通知。(此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。)

epoll的优点主要是一下几个方面：

  1. 监视的描述符数量不受限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左 右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。select的最大缺点就是进程打开的fd是有数量限制的。这对于连接数量比较大的服务器来说根本不能满足。虽然也可以选择多进程的解决方案( Apache就是这样实现的)，不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。
  2. IO的效率不会随着监视fd的数量的增长而下降。epoll不同于select和poll轮询的方式，而是通过每个fd定义的回调函数来实现的。只有就绪的fd才会执行回调函数。

注：如果没有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当遇到大量的idle- connection，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

参考

同步、异步、阻塞与非阻塞

Linux I/O模型

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