24天 - IO模型有哪些？Select、Poll、Epoll 之间有什么区别？为什么网络 I/O 会被阻塞？

• I/O模型有哪些？

计算机科学与工程领域的I/O模型

• 同步I/O模型
  • 阻塞I/O模型：当用户线程发起I/O请求后，线程会阻塞，直到I/O操作完成。
  • 非阻塞I/O模型：当用户线程发起I/O请求后，线程不会阻塞，而是会立即返回一个结果，告知I/O操作是否完成。如果未完成，线程可以继续执行其他任务，但需要不断轮询I/O操作是否完成。
• 异步I/O模型
  • I/O多路复用模型：通过一个线程或进程同时监控多个I/O请求，当有I/O请求到达时，再由相应的线程进行处理。如select、poll、epoll等机制。
  • 信号驱动I/O模型：用户线程在发起I/O请求时，会先设置一个信号处理函数，然后继续执行其他任务。当I/O操作完成后，系统会发送一个信号通知用户线程进行处理。
  • 完成端口I/O模型：在Windows系统中，当I/O操作完成后，系统会将完成信息放入完成端口队列，用户线程可以从队列中获取完成信息并进行处理。

控制理论与系统建模领域的输入输出模型

• 输入输出模型：通过输入输出关系来描述系统的动态行为，通常用传递函数来表示。例如，对于一个线性时不变系统，其输入输出关系可以表示为G(s)=Y(s)/U(s)，其中Y(s)和U(s)分别是输出和输入的拉普拉斯变换。
• 状态空间模型：除了考虑输入和输出外，还引入了状态变量来描述系统的内部状态。状态空间模型可以更全面地描述系统的动态特性，便于进行系统的分析和控制设计。

软件工程与项目管理领域的I/O模型

• IPO模型：即输入-处理-输出模型，用于描述一个功能或模块的处理过程。输入是指系统接收的外部数据或信息，处理是对输入数据进行的操作和变换，输出是处理后的结果。

• Select、Poll、Epoll 之间有什么区别？

在计算机科学中，select、poll、epoll都是用于I/O多路复用的机制，它们的主要区别如下：

select

• 描述：select是最早的I/O多路复用机制之一，它允许一个进程同时监控多个文件描述符（如套接字），当其中任何一个描述符有数据可读、可写或发生异常时，select会通知进程。
• 优点：跨平台性较好，几乎所有支持套接字的系统都支持select。
• 缺点：
  • 每次调用select都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，当文件描述符数量较多时，这种复制操作的开销较大。
  • select返回后，需要遍历整个文件描述符集合来确定哪些描述符有事件发生，效率较低。
  • 每个select调用都会导致线程阻塞，直到有事件发生或者超时。

poll

• 描述：poll是select的改进版本，它通过一个pollfd数组来存放文件描述符及其事件掩码，当有事件发生时，poll会通知进程。
• 优点：poll没有select的文件描述符数量限制（理论上可以处理无限多个文件描述符），并且在处理大量文件描述符时效率较高。
• 缺点：
  • poll仍然需要在每次调用时将pollfd数组从用户空间复制到内核空间，当数组较大时，开销较大。
  • poll返回后，需要遍历整个pollfd数组来确定哪些描述符有事件发生，效率较低。
  • 每个poll调用都会导致线程阻塞。

epoll

• 描述：epoll是Linux系统下为了解决select和poll的不足而引入的I/O多路复用机制。它通过一个文件描述符来管理多个文件描述符，并且在事件发生时，内核会主动通知用户态的epoll，用户态的epoll再通知进程。
• 优点：
  • epoll在添加或删除文件描述符时，不需要将整个数组复制到内核空间，只需要将单个文件描述符添加或删除，效率较高。
  • epoll返回的事件列表中只包含有事件发生的文件描述符，不需要遍历所有文件描述符来确定哪些有事件发生，效率较高。
  • epoll支持边沿触发和水平触发两种模式，可以根据需要选择合适的模式。
• 缺点：
  • epoll是Linux特有的机制，跨平台性较差。
  • 使用epoll需要一定的编程技巧和对Linux系统调用的熟悉程度。

总的来说，epoll在处理大量文件描述符和高并发场景下具有更高的效率和更好的性能，而select和poll在一些简单的场景或跨平台的项目中仍然有一定的应用价值。

• 为什么网络 I/O 会被阻塞？

网络I/O会被阻塞的原因主要有以下几点：

网络传输延迟

• 数据在传输途中延迟：数据从发送端到接收端需要经过多个网络设备和链路，任何一个环节出现问题都可能导致延迟。比如网络拥塞时，数据包在路由器和交换机的缓冲区中排队等待转发，造成延迟；或者信号在物理介质中传输时，受到干扰、衰减等因素影响，导致传输速度变慢。
• 网络链路故障或带宽不足：链路出现故障时，数据可能需要重新传输或者绕道其他链路，增加了传输时间。而带宽不足时，大量数据同时传输会导致拥塞，使得数据包的发送和接收变得缓慢。

系统资源限制

• 内存不足：当系统内存被大量占用时，用于网络数据包的缓冲区可能不足。这会导致数据包无法及时被处理和存储，从而在网络I/O操作时出现阻塞。例如，服务器在高并发访问时，内存被各种应用程序和服务占用，网络数据包的接收和发送缓冲区可能无法满足需求，使得数据包在内存中排队等待处理。
• CPU负载过高：CPU是处理网络数据包的关键部件，当CPU负载过高时，无法及时处理网络中断和数据包的接收、发送操作。这会导致网络I/O操作等待CPU资源的释放，进而出现阻塞。比如，在运行大型计算任务或多个高负载服务的服务器上，CPU可能忙于处理其他任务，无法及时响应网络事件。

应用程序逻辑问题

• 未及时处理接收缓冲区数据：应用程序在接收网络数据时，如果未能及时从接收缓冲区中读取数据，缓冲区可能会被填满。此时，新的数据包到达时，由于缓冲区已满，无法存储新的数据，就会导致网络I/O阻塞，等待应用程序处理缓冲区中的数据。
• 发送数据未合理控制：在发送数据时，如果应用程序没有合理控制发送频率和数据量，可能会导致发送缓冲区被占满。当发送缓冲区没有足够空间时，后续的发送操作就会被阻塞，等待缓冲区中的数据被发送出去，释放空间。

操作系统I/O模型的限制

• 阻塞式I/O模型：在阻塞式I/O模型中，当进程或线程发起一个I/O请求后，会一直阻塞在那里，直到I/O操作完成。例如，使用传统的阻塞式套接字进行网络通信时，当调用recv或send函数后，如果数据未到达或无法立即发送，线程就会被阻塞，无法执行其他任务。
• 同步I/O模型的特性：同步I/O模型下，线程在发起I/O请求后，需要等待I/O操作完成才能继续执行后续操作。即使使用非阻塞式I/O模型，如果频繁轮询I/O操作是否完成，也会占用大量CPU资源，并且在等待期间无法处理其他任务，从而导致阻塞。