八、网络服务I/O模型

8.1、四种的I/O模型

  在操作系统中，进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。进程与I/O之间的通信模型如图所示。

  对于输入而言，等待(wait)数据输入至buffer需要时间，而从buffer复制(copy)数据至进程也需要时间。根据调用者与被调用者的不同就有四种I/0模型。

8.2、五种网络服务I/0模型

 根据等待模式不同，I/O动作可分为五种模式：

同步阻塞：进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。

同步非阻塞：非阻塞IO通过进程反复调用IO函数（多次系统调用，并马上返回）；在数据拷贝的过程中，进程是阻塞的。

I/O 复用：主要是select和epoll；对一个IO端口，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性；关键是能实现同时对多个IO端口进行监听。

异步IO：数据拷贝的时候进程无需阻塞。

信号驱动：两次调用，两次返回。

五种IO模型的比较：

8.3、select/poll/epoll

select

  本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理，但是单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低，需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。 

# cat /proc/sys/fs/file-max    #查看可监听fd的数量

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，其没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意。 poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

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。 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。

  其优点是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)效率提升：非轮询的方式，不会随着FD数目的增加而效率下降；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理“活跃”的连接，而跟连接总数无关。使用内存拷贝方式，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。