Linux多路复用

1. 五种网络I/O模型

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）

即传统的IO模型，在linux中默认情况下所有的socket都是阻塞模式。当用户进程调用了read()这个系统调用，内核就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候内核就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核中拷贝到用户内存，然后内核返回结果，用户进程才解除阻塞的状态，重新运行起来；几乎所有的程序员第一次接触到的网络编程都是从listen()、read()、write() 等接口开始的，这些接口都是阻塞型的，一个简单的改进方案是在服务器端使用多线程（或多进程）。多线程（或多进程）的目的是让每个连接都拥有独立的线程（或进程），这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）

默认创建的socket都是阻塞的，同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基础上，将socket设置为NONBLOCK，这个可以使用ioctl()系统调用设置。这样做用户线程可以在发起IO请求后可以立即返回，如果该次读操作并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）

IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题，此外poll、epoll都是这种模型。在该种模式下，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。从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，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以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

（4）信号驱动IO（signal driven IO）

调用sigaltion系统调用，当内核中IO数据就绪时以SIGIO信号通知请求进程，请求进程再把数据从内核读入到用户空间，这一步是阻塞的。

（5）异步IO（Asynchronous IO）

即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中，事件循环将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。而在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，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即可。

相比于IO多路复用模型，信号驱动IO和异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。况且目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式。

在这里我们把前三种做一个形象地类比：

• 阻塞IO, 给女神发一条短信, 说我来找你了, 然后就默默的一直等着女神下楼, 这个期间除了等待你不会做其他事情；
• 非阻塞IO, 给女神发短信, 如果不回, 接着再发, 一直发到女神下楼, 这个期间你除了发短信等待不会做其他事情；
• IO多路复用, 是找一个宿管大妈来帮你监视下楼的女生, 这个期间你可以做些其他的事情，例如可以顺便玩玩王者荣耀, 打篮球等等。IO复用又包括 select, poll, epoll 模式. 那么它们的区别是什么?

1. select大妈 每一个女生下楼, select大妈都不知道这个是不是你的女神, 她需要一个一个询问, 并且select大妈能力还有限, 最多一次帮你监视1024个妹子；

2. poll大妈 不限制盯着女生的数量, 只要是经过宿舍楼门口的女生, 都会帮你去问是不是你女神；

3. epoll大妈 不限制盯着女生的数量, 并且也不需要一个一个去问. 那么如何做呢? epoll大妈会为每个进宿舍楼的女生脸
   上贴上一个大字条,上面写上女生自己的名字, 只要女生下楼了, epoll大妈就知道这个是不是你女神了, 然后大妈再通知你；

2. select多路复用

select()函数允许进程指示内核等待多个事件(文件描述符)中的任何一个发生，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定时间后才唤醒它，然后接下来判断究竟是哪个文件描述符发生了事件并进行相应的处理。