Linux五大网络IO模型图解

用户空间与内核空间

　　对于一个应用程序即一个操作系统进程来说，它既有内核空间(与其他进程共享),也有用户空间(进程私有)，它们都是处于虚拟地址空间中。用户进程是无法访问内核空间的，它只能访问用户空间，通过用户空间去内核空间复制数据，然后进行处理。为了避免用户应用导致冲突甚至内核崩溃，所以进程的寻址空间就划分为两部分：内核空间、用户空间。

　　用户空间：只能执行受限的命令（Ring3），而且不能直接调用系统资源，必须通过内核提供的接口来访问
　　内核空间：可以执行特权命令（Ring0），调用一切系统资源
　　写数据时，要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备; 读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区

　　

阻塞io(同步io)

　　发起请求就一直等待，直到数据返回。全程阻塞。在第一阶段 用户进程尝试读取数据时，此时数据尚未到达，内核需要等待数据，此时用户进程处于阻塞状态；第二阶段 数据拷贝到内核缓冲区后 此时已就绪，然后将数据拷贝到用户进程缓冲区，拷贝的过程中用户进程也是阻塞状态。(好比你去商场试衣间，里面有人，那你就一直在门外等着)

非阻塞io(同步io)

　　不管有没有数据都返回，没有就隔一段时间再来请求，如此循环。复制数据时阻塞。在第一阶段 用户进程尝试读取数据时，此时数据尚未到达，就返回异常给用户进程，用户进程拿到error后，就再次重复尝试，直到数据就绪；第二阶段 数据拷贝到内核缓冲区后 此时已就绪，然后将数据拷贝到用户进程缓冲区，拷贝的过程中用户进程也是阻塞状态。(好比你要喝水，水还没烧开，你就隔段时间去看一下饮水机，直到水烧开为止，水烧开了就等在那里接水喝)

　　可以看到，非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且忙等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。无论是阻塞IO还是非阻塞IO，用户应用在一阶段都需要调用recvfrom来获取数据，差别在于无数据时的处理方案： 

　　如果调用recvfrom时，恰好没有数据，阻塞IO会使CPU阻塞，非阻塞IO使CPU空转，都不能充分发挥CPU的作用。
　　如果调用recvfrom时，恰好有数据，则用户进程可以直接进入第二阶段，读取并处理数据

　　

io多路复用(同步io)

　　文件描述符（File Descriptor）：简称FD，是一个从0 开始的无符号整数，用来关联Linux中的一个文件。在Linux中，一切皆文件，例如常规文件、视频、硬件设备等，当然也包括网络套接字（Socket）。
　　IO多路复用：是利用单个线程来同时监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。检查FD就绪时阻塞，复制数据时阻塞。它的实现有三种方式   select   poll   epoll。

　 　

select

// 定义类型别名 __fd_mask，本质是 long int
typedef long int __fd_mask;

/* fd_set 记录要监听的fd集合，及其对应状态 */
typedef struct {
    // fds_bits是long类型数组，长度为 1024/32 = 32
    // 共1024个bit位，每个bit位代表一个fd，0代表未就绪，1代表就绪
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
    // ...
} fd_set;

// select函数，用于监听fd_set，也就是多个fd的集合
int select(
    int nfds, // 要监视的fd_set的最大fd + 1
    fd_set *readfds, // 要监听读事件的fd集合
    fd_set *writefds,// 要监听写事件的fd集合
    fd_set *exceptfds, // // 要监听异常事件的fd集合
    // 超时时间，null-用不超时；0-不阻塞等待；大于0-固定等待时间
    struct timeval *timeout
);

　　可以看到 select 函数 里面有5个属性。ndfs 用来遍历fd集合的，当遍历到最大值就说明集合遍历完了；timeout 超时时间；fd_set 读/写/异常 三种集合，可以看到他是一个长度为32的数组，每个元素是32bit，每个数组1024bit 也就是每种fd的监听上限个数是1024个。

　　1 建立连接时创建 fd_set ，然后用户进程调用 select 函数。2 内核进程在 timeout 前遍历 fd_set 等待数据就绪或超时，数据准备好后 就从内核空间 缓冲区 拷贝到 用户空间 缓冲区，并返回就绪的df个数。3 用户进程遍历整个 fd_set 找到就绪的 fd 。

　　

poll

// pollfd 中的事件类型
#define POLLIN     //可读事件
#define POLLOUT    //可写事件
#define POLLERR    //错误事件
#define POLLNVAL   //fd未打开

// pollfd结构
struct pollfd {
    int fd;           /* 要监听的fd  */
    short int events; /* 要监听的事件类型：读、写、异常 */
    short int revents;/* 实际发生的事件类型 */
};

// poll函数
int poll(
    struct pollfd *fds, // pollfd数组，可以自定义大小
    nfds_t nfds, // 数组元素个数
    int timeout // 超时时间
);

　　poll 相比于 select 做了几点优化。首先 poll 函数的 fds 数组大小可以自定义，理论上无限大。(由于需要遍历整个数组找到就绪的 fd ，所以他不可能特别的大)；其次所有的 fd 事件都封装在 pollfd 类型里面，包括 fd句柄 监听的事件 实际发生的事件。

epoll

struct eventpoll {
    //...
    struct rb_root  rbr; // 一颗红黑树，记录要监听的FD
    struct list_head rdlist;// 一个链表，记录就绪的FD
    //...
};

// 1.创建一个epoll实例,内部是event poll，返回对应的句柄epfd
int epoll_create(int size);

// 2.将一个FD添加到epoll的红黑树中，并设置ep_poll_callback
// callback触发时，就把对应的FD加入到rdlist这个就绪列表中
int epoll_ctl(
    int epfd,  // epoll实例的句柄
    int op,    // 要执行的操作，包括：ADD、MOD、DEL
    int fd,    // 要监听的FD
    struct epoll_event *event // 要监听的事件类型：读、写、异常等
);

// 3.检查rdlist列表是否为空，不为空则返回就绪的FD的数量
int epoll_wait(
    int epfd,                   // epoll实例的句柄
    struct epoll_event *events, // 空event数组，用于接收就绪的FD
    int maxevents,              // events数组的最大长度
    int timeout   // 超时时间，-1用不超时；0不阻塞；大于0为阻塞时间
);

　　1 建立连接时创建 fd_set ，然后用户进程调用 epoll_create 函数，创建 eventpoll 对象，里面通过 红黑树 记录要监听的 fd，还有一个 链表 记录就绪的 fd。2 调用 epoll_ctl 函数往红黑树中添加要监听的 fd ，并且为每一个 fd 函数添加 callback 函数，当 callback 触发时，就把相应的 fd 添加到 就绪链表中(返回具体的 fd 和 fd 数量，而不是像 select/poll 那样只返回个数量)。3 调用 epoll_wait 等待并检查链表是否为空，然后对具体的 fd 进行操作，同时将 fd 从链表中摘除。(多个进程监听同一个 eventpoll 时，调用epoll_wait 监听链表，当任意一个fd就绪时，所有的进程都会被通知到，这种就是惊群现象。)

　　1 基于epoll实例中的红黑树保存要监听的FD，理论上无上限，而且增删改查效率都非常高
　　2 每个FD只需要执行一次epoll_ctl添加到红黑树，以后每次epol_wait无需传递任何参数，无需重复拷贝FD到内核空间
　　3 利用ep_poll_callback机制来监听FD状态，无需遍历所有FD，因此性能不会随监听的FD数量增多而下降

　　

事件通知机制

　　当FD有数据可读时，我们调用epoll_wait（或者select、poll）可以得到通知。但是事件通知的模式有两种：LevelTriggered：简称LT，也叫做水平触发，默认是这种。只要某个FD中有数据可读，每次调用epoll_wait都会得到通知。EdgeTriggered：简称ET，也叫做边沿触发。只有在某个FD有状态变化时，调用epoll_wait才会被通知。

LT 举个栗子：
  1. 假设一个客户端socket对应的FD已经注册到了epoll实例中
  2. 客户端socket发送了2kb的数据
  3. 服务端调用epoll_wait，得到通知说FD就绪
  4. 服务端从FD读取了1kb数据 
  5. 回到步骤3（再次调用epoll_wait，形成循环）


如果是 LT 模式，则事件通知频率较高，需要重复进行通知 完成对整个数据流操作，影响性能。


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ET 流程的话，它仅通知一次，效率高，我们只需要对FD操作一次，在第四步 读取1kb之后就不
管了。所以我们需要手动修改策略，要么每次操作fd后 如果有剩余数据，则把fd放入链表，循
环操作；要么一次性读取整个fd。

信号驱动io(同步io)

　　事先发出一个请求，当有数据后会返回一个标识回调，这时你可以去请求数据。复制数据时阻塞。信号驱动IO是与内核建立SIGIO的信号关联并设置回调，当内核有FD就绪时，会发出SIGIO信号通知用户，期间用户应用可以执行其它业务，无需阻塞等待。用户进程收到SIGIO信号就调用recvfrom读取内核空间缓存区数据。(好比银行排号，当叫到你的时候，你就可以去处理业务了)。

　　

异步io

　　发出请求就返回，剩下的事情会异步自动完成，不需要做任何处理。(好比有事秘书干，自己啥也不用管)　　

　　用户进程调用aio_read，创建信号回调函数，然后内核等待数据就绪，用户进程无需阻塞，可以做任何事情。当内核数据就绪，就把数据从内核数据拷贝到用户空间。拷贝完成，内核递交信号触发aio_read中的回调函数，用户进程处理数据

　　

总结