IO模型理解

IO是操作系统中最重要的功能之一。说起IO，其实要从最开始的同步阻塞IO模型说起。

首先理解下同步和非同步，阻塞和非阻塞。

 

在Linux操作系统中，数据分为内核态和用户态。用户线程在用户态中运行，键盘，鼠标动作是由内核系统调用触发。

 

同步，异步

同步和非同步是从消息通信的角度来区分的。如果用户态中进程主动去到内核态中查询获取数据，这种就是同步机制。同步永远是进程主动去获取数据。如果数据可以通过通知的方法返回到用户进程，那么这种方式就是异步的。

阻塞，非阻塞

一个线程在运行期间，调用了其他方法，在该方法返回结果之前，如果此线程处于等待状态，那么这种就是阻塞的，如果方法立即返回一个结果（即使这个结果没有任何业务意义），调用该方法的线程转而去做了其他事情。那么这种方式就是非阻塞的。这个时候如果我们需要去获取该方法的真实返回结果，就需要采用同步的方式去获取（这里又是从消息的通知方式来说的）。

 

三种常见的IO模型

1. 阻塞式IO

阻塞式IO最开始接触多线程编程时候入门的线程模型。一个线程在未得到另一个方法的返回值之前，需要一直挂起，知道方法返回数据后，才可以重新拿到时间片，继续运行。

 

 用户态进程进行系统调用后，内核态需要进行等待，知道数据准备好（比如键盘数据，远程调用等）后把数据从内核态复制到用户态后，调用进程才可以拿到数据继续运行。在这段时间内，调用进程不能做任何其他的事情，一直阻塞在那里。

在具体的代码编写中，http服务器编式不能采用阻塞式IO编写的，因为当访问量增大后，会增加服务器的消耗，因为很多线程都是在等待客户端的连入，浪费资源。

2.非阻塞式IO

当进程进行系统调用后，内核系统会立即返回一个返回值。用户进程获取返回值后，并不能获取真实的处理结果。此时就需要以同步的模式主动去内核轮询处理结果，如果轮询有了结果，那么就会结束调用，如果没有则继续轮询。

 

 

3. 多路复用IO

多路复用IO模型是依赖内核具体实现的。如果系统没有select，poll，epoll等功能，那么设计层面是不能设计出来多路复用的。

“select调用是内核级别的，可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，这个过程是阻塞的。”

select有一些明显的不足：

（1）调用select，需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，开销在fd很多时，开销会很大；

（2）调用select需要在内核遍历传递进来的所有fd，在fd很多时开销很大；

（3）select支持的fd数量小，默认是1024；

poll和select其实是差不多的，只是poll的fd表示方法不一样，这让poll支持的fd数量远远不止1024个

epoll是为了改进上面的一些不足之处而升级的。从上面可以看出，fd集合需要在内核态和用户态之间不停的移动，每次主动轮询数据时候，要遍历内核态中所有的fd，这两个方面就会出现很多重复的事情要做，epoll对这两个方面进行了优化。

epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

首先epoll会调用epoll_creaet创建一个epoll的句柄（fd1)，之后通过调用epoll_ctl将新的句柄添加到fd1上，并且标记上EPOLL_CTL_ADD，这一步会把生成的新的句柄fd2拷贝到内核态中，每次只要有新的句柄产生，就会产生一次用户态到内核态的拷贝。这样就避免了每次都要把整个fd集合全部拷贝到内核中。epoll会在内核中额外开辟一块空间，如果某一个fd准备就绪，那么这个fd就会被复制到新的空间中，epoll_wait方法会专门去这块空间中去获取fd的状态，这种epoll_wait就不用轮询内核中整个fd集合，提高了效率。