Linux五 ——I/O复用

IO复用

I/O （数据交换过程）

1. 背景

I/O即Input/Output，由于程序和运行时数据是在内存中驻留的，由CPU这个超快的计算核心来执行，涉及到数据交换的地方，通常是磁盘、网络等，就需要I/O接口

I/O编程中涉及到流，其是相对于内存而言的，所以，Input Stream就是数据从外面（磁盘、网络）流进内存，Output Stream就是数据从内存流到外面去。

2. 概念

I/O操作就是在运行代码的过程中，可能需要对文件读写，即将文件输入到内存和将代码结果输出到外设（网络、磁盘）的过程。

3. 分类

• 网络I/O：通过网络进行数据的拉取和输出；
• 磁盘I/O：主要是对磁盘进行读写工作

五种I/O类型

1. 阻塞式I/O （同步I/O）

进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作（默认情况）

应用进程通过系统调用recvfrom接收数据，但由于内核还未准备好数据报，应用进程就会阻塞住，知道内核准备好数据报，recvfrom完成数据报复制工作，应用进程才能结束阻塞状态。

优点：

设备文件不可操作时，可进入休眠状态，将CPU资源让出；当设备文件可以操作的时候，就必须唤醒进程，一般在中断函数中完成唤醒工作。

缺点：

耗费时间，适合并发低，时效性要求低的情况。

2. 非阻塞式I/O（同步I/O）

应用进程与内核交互，目的未到达之前，不再一味地等待，而是直接返回；

通过轮询的方式，不停的去问内核数据有没有准备好。如果一次轮询发现数据已经准备好了，那就把数据拷贝到用户空间中。

前三次调用recvfrom时，没有数据可返回，内核立即返回EWOULDBOLOCK错误；

第四次调用recvfrom时，已有一个数据准备好，将其从内核复制到应用进程缓冲区，recvfrom成功返回。

轮询（polling）

应用进程持续轮询内核，以查看某个操作是否就绪

缺点：

往往消耗大量CPU时间

3. I/O复用 （select和poll） （同步I/O）

通过调用select或poll，阻塞在这两个系统调用中的某一个上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。

阻塞于select调用，等待数据报套接字变为可读，当select返回套接字可读这一条件时，调用recvfrom把所读数据报复制到应用进程缓存区。

多个进程I/O注册到同一个select，当用户进程调用select，select监听所有注册好的I/O

1. 若所有的被监听I/O需要的数据未准备好，则阻塞
2. 任意一个所需数据准备好后，select调用返回
3. 用户进程通过recvfrom进行数据拷贝

优点：

可以等待多个描述符就绪

4. 信号驱动式I/O （SIGIO）（同步I/O）

1. 开启套接字信号驱动I/O功能，通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数，该系统函数立即返回，不阻塞；

2. 数据报准备好后，内核为该进程产生一个SIGIO信号递交给进程；

3. 可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，通知主循环数据已准备好待处理；

4. 可以立即通知主循环，读取数据报

优点：

等待数据报到达期间，进程不被阻塞。主循环可以继续执行，等待来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。

5. 异步I/O （POSIX的aio_系列函数）

用户进程告知内核启动某个操作，并由内核在整个操作中完成后通知用户进程

与信号I/O驱动的区别

• 信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作
• 异步I/O是由内核通知我们I/O操作何时完成

步骤

1. 用户进程调用aio_read函数，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小和文件偏移，告诉内核整个操作完成时如何通知我们，然后就立刻去做其他事情；
2. 当内核受到aio_read后，会立即返回，然后内核开始等待数据准备，数据准备好以后，直接把数据拷贝到用户空间，然后再通知进程本次I/O已完成

各种I/O模型的比较

同步I/O

导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

四种同步模型的区别在于：第一阶段等待数据的处理方式不同，第二阶段均为将数据从内核空间复制到用户空间缓冲区期间，进程阻塞于recvfrom调用。

异步I/O

不导致请求进程阻塞

I/O 复用函数

多路复用接口select/poll/epoll，内核提供给用户态的多路复用系统调用，进程可以通过一个系统调用函数从内核中获取多个事件：

（1）select—>两次遍历 + 两次拷贝

1. 把已连接的socket放在一个文件描述符集合，调用select函数将文件描述符集合拷贝到内核里，让内核来检查是否有网络事件产生；
2. 通过遍历，有事件产生就把此socket标记为可读/可写，然后再整个拷贝回用户态；
3. 用户态还需要遍历找到刚刚标记的socket。

（2）poll

动态数组，以链表形式来组织，相比于select，没有文件描述符个数这个限制，当然还会受到系统文件描述符限制。

（3）epoll（event poll）—>红黑树

1. 在内核里使用红黑树来个弄脏进程所有待检测的文件描述字
2. 调用epoll_ctl()函数，把需要监控的socket加入内核中的红黑树里；（红黑树的增删查时间复杂度是$O(logn)$，不需要每次操作都传入整个集合，只需要传入一个待检测的socket，减少了内核和用户空间的大量数据拷贝和内存分配）
3. epoll使用事件驱动的机制，内核里维护了一个链表来记录就绪事件（当某个socket有事件发生时，通过回调函数，内核会将其加入到这个就绪事件列表中）
4. 当用户调用epoll_waiit()函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像select/poll那样轮询扫描整个socket集合，大大提高了检测的效率。

（4）epoll触发机制

1. epoll支持的时间触发模式：边缘触发ET； 水平触发LT

2. 边缘触发模式ET

   当被监控的socket描述符上有可读事件发生时，服务器只会从epoll_wait中苏醒一次，即使经常没有调用read函数从内核读取数据，也依然只苏醒一次，因此我们程序要保证一次性将内核缓冲区的数据读完，只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。

3. 水平触发模式LT

   当被监控的socket上有可读事件发生时，服务器不断地从epoll_wait中苏醒，直到内核缓冲区数据被read函数读完才结束，目的是告诉我们有数据，只要满足事件的条件，比如内核中有数据需要读取，就一直不断地把这个事件传递给用户。

（5）select和poll的区别

1. select 和 poll 采⽤轮询的⽅式检查就绪事件，每次都要扫描整个⽂件描述符，复杂度O(N);
2. epoll 采⽤回调⽅式检查就绪事件，只会返回有事件发⽣的⽂件描述符的个数，复杂度O(1);
3. select 只⼯作在低效的LT模式， epoll 可以在 ET ⾼效模式⼯作;
4. epoll 是 Linux 所特有，⽽ select 则应该是 POSIX 所规定，⼀般操作系统均有实现;
5. select 单个进程可监视的fd数量有限，即能监听端⼝的⼤⼩有限， 64位是2048； epoll 没有最⼤并发连接的限制，能打开的 fd 的上限远⼤于2048（1G的内存上能监听约10万个端⼝） ;
6. select：内核需要将消息传递到⽤户空间，都需要内核拷⻉动作； epoll通过内核和⽤户空间共享⼀块内存来实现的。