阻塞I/O、非阻塞I/O和I/O多路复用

一、阻塞I/O

首先,要从你常用的IO操作谈起,比如read和write,通常IO操作都是阻塞I/O的,也就是说当你调用read时,如果没有数据收到,那么线程或者进程就会被挂起,直到收到数据。阻塞的意思,就是一直等着。阻塞I/O就是等着数据过来,进行读写操作。应用的函数进行调用,但是内核一直没有返回,就一直等着。应用的函数长时间处于等待结果的状态,我们就称为阻塞I/O。每个应用都得等着,每个应用都在等着,浪费啊!很像现实中的情况。大家都不干活,等着数据过来,过来工作一下,没有的话继续等着。

二、非阻塞I/O

非阻塞IO很简单,通过fcntl(POSIX)或ioctl(Unix)设为非阻塞模式,这时,当你调用read时,如果有数据收到,就返回数据,如果没有数据收到,就立刻返回一个错误,如EWOULDBLOCK。这样是不会阻塞线程了,但是你还是要不断的轮询来读取或写入。相当于你去查看有没有数据,告诉你没有,过一会再来吧!应用过一会再来问,有没有数据?没有数据,会有一个返回。但是依旧很不好。应用必须得过一会来一下,问问内核有木有数据啊。这和现实很像啊!好多情况都得去某些地方问问好了没有?木有,明天再过来。明天,好了木有?木有,后天再过来。。。。。忙碌的应用。。。。

三、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(FileDescription,简称FD),如果有一个文件描述符(FileDescription)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)。虾米意思?就是派一个代表,同时监听多个文件描述符是否有数据到来。等着等着,如有有数据,就告诉某某你的数据来啦!赶紧来处理吧。有没有很感动,一个人待着,帮了很多人。医院的黄牛,一个人排队,大家只要把钱给它,它就会把号给需要的人,开个玩笑。。。。
参考如下:

作者:用心阁
链接:https://www.zhihu.com/question/28594409/answer/74003996
来源:知乎
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四、多路复用的三种方式(都是上面的I/O的多路复用,但是进行了改进)

1、select

 

  【1】每次调用select()都需要把fd(文件描述符)从用户态拷贝到内核态,开销比较大

  【2】每次都需要在内核遍历传入的fd(文件描述符)

  【3】select支持文件数量比较小,默认是1024

2、poll
  poll的实现和select非常相似,只是描述fd集合的方式不同,poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构,支持的文件数量比较多,不仅仅是1024
3、epoll

  select/poll只提供了一个函数,selct/poll函数,但是epoll一下子就提供了3个函数,真是人多力量大,难怪这么强,如下3个函数:

epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait,epoll_create是创建一个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。

epoll既然是对select和poll的改进,就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢?在此之前,我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同,select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数,epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait,epoll_create是创建一个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。

  对于第一个缺点,epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时(在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD),会把所有的fd拷贝进内核,而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

  对于第二个缺点,epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中,而只在epoll_ctl时把current挂一遍(这一遍必不可少)并为每个fd指定一个回调函数,当设备就绪,唤醒等待队列上的等待者时,就会调用这个回调函数,而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表)。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd(利用schedule_timeout()实现睡一会,判断一会的效果,和select实现中的第7步是类似的)。

  对于第三个缺点,epoll没有这个限制,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。

总结:

(1)select,poll实现需要自己不断轮询所有fd集合,直到设备就绪,期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表,期间也可能多次睡眠和唤醒交替,但是它是设备就绪时,调用回调函数,把就绪fd放入就绪链表中,并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替,但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合,而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了,这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

(2)select,poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次,并且要把current往设备等待队列中挂一次,而epoll只要一次拷贝,而且把current往等待队列上挂也只挂一次(在epoll_wait的开始,注意这里的等待队列并不是设备等待队列,只是一个epoll内部定义的等待队列)。这也能节省不少的开销。

参考:http://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html

五、python的select模块

 

posted @ 2017-05-14 15:05  skiler  阅读(15560)  评论(3编辑  收藏  举报