一文搞懂I/O多路复用及其技术

前言

高性能是每个程序员的追求，无论写一行代码还是做一个系统，都希望能够达到高性能的效果。高性能架构设计主要集中在两方面：

尽量提升单服务器的性能，将单服务器的性能发挥到极致
如果单服务器无法支撑性能，设计服务器集群方案

单服务器高性能的关键之一就是服务器采取的网络编程模型。服务器如何管理连接，如何处理请求等。这两个设计点最终都和操作系统的I/O模型及进程模型相关。

I/O模型：阻塞、非阻塞、同步、异步
进程模型：单进程、多进程、多线程。

我们所说的I/O模型是指网络I/O模型,就是服务端如何管理连接，如何请求连接的措施，是用一个进程管理一个连接（PPC），还是一个线程管理一个连接(TPC)，亦或者一个线程管理多个连接(Reactor)。

因此IO多路复用中多路就是多个TCP连接（或多个Channel），复用就是指复用一个或少量线程，理解起来就是多个网路IO复用一个或少量线程来处理这些连接。

常见I/O模型

同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统IO模型
同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认常见的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置成NONBLOCK
IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，也被称为异步阻塞IO，Java中的selector和linux中的epoll都是这种模型
异步IO（Asychronous IO）：即Proactor设计模式，也被称为异步非阻塞IO

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式，这里所说的用户进程/线程和内核是以传输层为分割线的，传输层以上是指用户进程，传输层以下（包括传输层）是指内核（处理所有通信细节，发送数据，等待确认，给无序到达的数据排序等，这四层是操作系统内核的一部分）。同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作，完成后才能继续执行。异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后回通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式，阻塞时指IO操作需要彻底完成后才能返回用户空间，非阻塞时指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等待IO操作彻底完成。

同步阻塞IO

同步阻塞IO是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞。用户线程通过调用系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接受的数据拷贝到用户空间，完成read操作。整个IO请求过程，用户线程都是被阻塞的，对CPU利用率不够

同步非阻塞IO

在同步基础上，将socket设置为NONBLOCK，这样用户线程可以在发起IO请求后立即返回。虽说可以立即返回，但并未读到任何数据，用户线程需要不断的发起IO请求，直到数据到达后才能真正读到数据，然后去处理。

整个IO请求中，虽然可以立即返回，但是因为是同步的，为了等到数据，需要不断的轮询、重复请求，消耗了大量的CPU资源。因此，这种模型很少使用，实际用处不大。

IO多路复用

不管是同步阻塞还是同步非阻塞，对系统性能的提升都是很小的。而通过复用可以使一个或一组线程（线程池）处理多个TCP连接。IO多路复用使用两个系统调用（select/poll/epoll和recvfrom），blocking IO只调用了recvfrom。select/poll/epoll核心是可以同时处理多个connection，而不是更快，所以连接数不高的话，性能不一定比多线程+阻塞IO好。

select是内核提供的多路分离函数，使用它可以避免同步非阻塞IO中轮询等待问题。

用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回，用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。

这么一看，这种方式和同步阻塞IO并没有太大区别，甚至还多了添加监视socket以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是使用select以后，用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求，这就是它的最大优势。用户可以注册多个socket，然后不断调用select读取被激活的socket，即可达到同一个线程同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程方式才能达到这个目的。所以IO多路复用设计目的其实不是为了快，而是为了解决线程/进程数量过多对服务器开销造成的压力。

select(socket); #向select注册socket
while(true){
		sockets = select(); #获取被激活的socket
		for(socket in sockets){
				if(can_read(socket)){	#socket可读，调用read读取数据
						read(socket,buffer);
						process(buffer);
				}
		}
}

虽然这种方式允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket，然后去做自己的事情，等到数据到来时在进行处理，则可以提高CPU利用率。

通过Reactor方式，用户线程轮询IO操作状态的工作统一交给handle_events事件循环处理。用户线程注册事件处理器之后可以继续执行做其他的工作（异步），而Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时，则通知相应的用户线程（或执行用户线程的回调函数），执行handel_envent进行数据的读取、处理工作。

由于select函数是阻塞的，因此多路IO复用模型就被称为异步阻塞IO模型，这里阻塞不是指socket。因为使用IO多路复用时，socket都设置NONBLOCK，不过不影响，因为用户发起IO请求时，数据已经到达了，用户线程一定不会被阻塞。

IO多路复用是最常用的IO模型，但其异步程度还不彻底，因为它使用了回阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO，而非真正的异步IO。

附：Reactor设计模式

异步非阻塞IO

在IO多路复用模型中，事件循环文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而异步IO中，当用户线程收到通知时候，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用就行了。因此这种模型需要操作系统更强的支持，把read操作从用户线程转移到了内核。

相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。不过最主要原因还是操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的采用IO多路复用模拟异步IO方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区）。

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（socket），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。虽说IO多路复用被称为异步阻塞IO，但select，poll，epoll本质上都是同步IO，因为它们都需要在续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，而真正意义上的异步IO无需自己负责进行读写。

select

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有三类，readfds，writefds，exceptfds。调用后函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据读、写、或者有except），或者超时（timeout指定时间，如果立即返回设置null），函数返回。当select函数返回后，可以通过便利fdset，来找到就绪的描述符。

优点：良好的跨平台性。

缺点：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，但这样会造成效率的降低。

poll

int poll(struct poll *fds, unsigned int nfds, int timeout);
struct pollfd{
  int fd;
  short events;
  short revents;
};

与select使用三个位图来表示fdset，poll使用一个pollfd的指针实现。pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不在使用select参数传值的方式。同时pollfd并没有最大数量的限制（但数量过大性能也会下降）。和select一样，poll返回后，需要轮询pollfd来或许就绪的描述符。