I/O模型

news2025/7/24 5:57:17

网络IO的本质

网络IO的本质就是socket流的读取，通常一次IO读取会涉及两个阶段与两个对象，其中两个对象为：用户进程（线程）Process（Thread）、内核对象（kernel）,两个阶段为：等待流数据准备阶段、从内核向进程复制数据阶段。

对于socket而言，第一步通常等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区，第二步数据从内核的缓冲区复制到应用进程的缓冲区。

网络IO模型

I/O模型可细分为五种类型：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO、异步IO。

阻塞IO模型

首先，在linux系统中默认所有的IO都是阻塞IO。

阻塞IO的特点是从kernel读取数据时信号并未立刻返回，而是等待数据到达完毕或发生错误才会返回结果，这个过程是阻塞的。

术语描述:当用户进程调用recvfrom这个系统调用时，kernel就开始等待数据到来，而进程这边会处于阻塞状态。当kernel将数据准备好后，就会将数据拷贝到用户进程的缓冲区，然后kernel返回结果，用户进程才会解除block状态，重新运行起来。

非阻塞IO模型

与阻塞IO不同，当用户进程发出recvfrom调用时，如果kernel中数据还没有准备好，那么并不会block用户进程，而是会返回error错误。相对于用户进程而言，每次发送读取操作后，并不需要等待，而是会立刻返回结果，当收到error时，就知道数据未准备完毕，然后继续发送读取操作，直到可以直接读取数据到缓冲区为止。虽然在执行read请求操作时，用户进程并未阻塞，但是当recvfrom将数据从内核拷贝到进程时，用户进程处于阻塞状态。

多路复用IO模型

产生原因

在具有大量IO请求的场景下，需要应用进程创建多个线程去读取数据，每个线程都会调用recvfrom去读取数据。在这种高并发的情况下，可能进程需要创建成千上万个线程，增加服务器负荷，并且造成了严重的资源浪费。

因此，有了多路复用IO模型，使用一个线程去监听多个网络请求，即文件描述符，这样就实现了使用少量线程对大量请求进行监听，然后再让对应的线程进行数据读取。那么目前常用select、poll、epoll函数对fd文件描述符进行监听。

多路复用IO又称事件驱动IO，进程使用IO多路复用在两个阶段都是阻塞的状态，进程使用select函数，其中select函数有一个参数是文件描述符集合，对这些文件描述符进行监听，当文件描述符就绪时，会返回readable信号，然后用户进程调用recvfrom进行读取数据，由于可同时监听多个IO,效率比阻塞IO高。

select

进程调用select后会被阻塞，将需要监听的文件描述符放入fd_set,并将fd_set复制到内核空间，内核空间会对fd_set进行轮询遍历，若无mark值，则会暂时挂起等待超时时间之后继续轮询，直到有数据准备就绪。最后将fd_set复制回用户进程，进行读/写操作。

复杂度O（n）

select的缺点：

1.select监控数量受限

select能监控的fd数量有上限，32位系统一般为1024，64位系统为2048，这个上限可以通过修改参数提高，但是相应的会损失性能。

2.轮询效率低

对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。

3.频繁拷贝复杂，开销大

需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，用户空间需要维护一个fd_set，fd_set的每一位都表示一个文件描述符，开始时会将其发给内核，这会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

4.select是水平触发

应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作。那么之后select调用还是会将这些文件描述符返回，通知进程。

poll

poll和select基本是一样的，但是它对fd集合做了优化，使用链表存储，解决了连接数上限的问题。

epoll

epoll的实现与上述两种方式完全不同，因此不会造成上述的问题。

同select、poll不同，复杂度O（1），通过三个函数实现流程：

1.epoll_create：创建一个epoll文件描述符集合，同时底层创建一个红黑树和就绪链表，红黑树存储所监控的文件描述符的节点数据，就绪链表存储就绪的文件描述符的节点数据。

2.epoll_ctl：用于添加新的描述符，首先判断红黑树中是否存在，如果不存在，插入数据，并告知内核注册回调函数（当文件描述就绪时通过网卡驱动触发），数据就绪后将事件添加到就绪队列中。

3.epoll_wait：检查链表，并将数据拷贝到用户空间（两者维护的是片共享内存），最后清空链表。其中epoll的工作方式分为LT、ET。

注意：epoll是线程安全的，但是当一个线程调用epollwait，而另一个线程用epollctl向同一个epoll_fd添加一个监测fd后，epollwait有可能被改fd的读/写事件唤醒。

信号驱动IO模型

首先应用进程通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数（在内核位置），该系统调用立即返回，进程继续工作（未被阻塞）。当数据准备就绪时，kernel就会为该进程产生一个SIGIO信号，随后用户进程就可以使用recvfrom调用去读取数据到内存，并返回成功指示。

异步IO模型

真正意义上的非阻塞IO，当用户进程发出aio_read操作之后，就立刻可以去做其它的事。另一方面，当kernel的角度，当kernel收到read信号后，会立刻返回结果，所以不会对用户进程block。之后，kernel会等待数据准备完毕，然后将数据拷贝到内存中，完成之后，kernel会给用户进程发送signal信号，表示数据已经read操作完毕。整个过程无阻塞状态的发生。