I/O介绍
I/O:
网络IO：本质是socket文件读取
磁盘IO：
每次IO，都要经由两个阶段：
第一步：将数据从文件先加载至内核内存空间（缓冲区），等待数据准备完成，时间较长
第二步：将数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程的内存中，时间较短
I/O模型
同步/异步：关注的是消息通信机制
同步：synchronous，调用者等待被调用者返回消息，才能继续执行
异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态
阻塞/非阻塞：关注调用者在等待结果返回之前所处的状态
阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起
非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成，最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起
I/O模型：
阻塞型、非阻塞型、复用型、信号驱动型、异步
非阻塞IO模型
阻塞IO模型
阻塞IO模型是最简单的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，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作
用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够
优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源
缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，这种模型在实际生产中很少使用
对于单线程的网络服务，这样做就会有卡死的问题。因为当等待时，整个线程会被挂起，无法执行，也无法做其他的工作。这种Block是不会影响同时运行的其他程序（进程）的，因为现代操作系统都是多任务的，任务之间的切换是抢占式的。这里Block只是指Block当前的进程
网络服务为了同时响应多个并发的网络请求，必须实现为多线程，每个线程处理一个网络请求。线程数随着并发连接数线性增长。2000年之前很多网络服务器就是这么实现的。但有两个问题：线程越多，Context Switch就越多，而Context Switch是一个比较重的操作，会无谓浪费大量的CPU。每个线程同时也会占用一定的内存作为线程的栈
虽可通过线程池技术既能并发的处理请求，又不会产生大量线程。但这样会限制最大并发的连接数。
当调用read接受网络请求时，有数据到了就处理，没数据到时，实际上是可以干别的。之所以使用大量线程，仅仅是因为Block发生
用户线程发起IO请求时立即返回。但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。即 “轮询”机制
存在两个问题：如果有大量文件描述符都要等，那么就得一个一个的read。这会带来大量的Context Switch（read是系统调用，每调用一次就得在用户态和核心态切换一次）。轮询的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长，程序响应延迟就过大；设的太短，就会造成过于频繁的重试，干耗CPU而已
是比较浪费CPU的方式，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
信号驱动IO模型
异步IO模型
异步IO与信号驱动IO最主要的区别是信号驱动IO是由内核通知应用程序何时可以进行IO操作，而异步IO则是由内核告诉用户线程IO操作何时完成。信号驱动IO当内核通知触发信号处理程序时，信号处理程序还需要阻塞在从内核空间缓冲区拷贝数据到用户空间缓冲区这个阶段，而异步IO直接是在第二个阶段完成后，内核直接通知用户线程可以进行后续操作了
由 POSIX 规范定义，应用程序告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区）完成后通知应用程序
优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠
缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入，目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时以 IO 复用模型模式+多线程任务的架构基本可以满足需求
I/O模型的具体实现
这五种 I/O 模型中，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优前四种属于同步 I/O，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配
主要实现方式有以下几种：
Select：Linux实现对应，I/O复用模型，BSD4.2最早实现，POSIX标准，一般操作系统均有实现
Poll：Linux实现，对应I/O复用模型，System V unix最早实现
Epoll：Linux特有，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型的某些特性
Kqueue：FreeBSD实现，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型某些特性
/dev/poll：SUN的Solaris实现，对应I/O复用模型，具有信号驱动I/O模型的某些特性
Iocp Windows实现，对应第5种（异步I/O）模型
select/poll/epoll
Select：POSIX所规定，目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点，本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理
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上一般为1024，可以通过修改宏定义FD_SETSIZE，再重新编译内核实现，但是这样也会造成效率的降低
单个进程可监视的fd数量被限制，默认是1024，修改此值需要重新编译内核
对socket是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低
select 采取了内存拷贝方法来实现内核将 FD 消息通知给用户空间，这样一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大
poll
本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态
其没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的
大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义
poll特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd
边缘触发：只通知一次
epoll：在Linux 2.6内核中提出的select和poll的增强版本
支持水平触发LT和边缘触发ET，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次
使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知
优点:
没有最大并发连接的限制：能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存能监听约10万个端口)，具体查看/proc/sys/fs/file-max，此值和系统内存大小相关
效率提升：非轮询的方式，不会随着FD数目的增加而效率下降；只有活跃可用的FD才会调用callback函数，即epoll最大的优点就在于它只管理“活跃”的连接，而跟连接总数无关
内存拷贝，利用mmap(Memory Mapping)加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销
零拷贝
传统Linux中 I/O 的问题
传统的 Linux 系统的标准 I/O 接口（read、write）是基于数据拷贝的，也就是数据都是 copy_to_user 或者 copy_from_user，这样做的好处是，通过中间缓存的机制，减少磁盘 I/O 的操作，但是坏处也很明显，大量数据的拷贝，用户态和内核态的频繁切换，会消耗大量的 CPU 资源，严重影响数据传输的性能，统计表明，在Linux协议栈中，数据包在内核态和用户态之间的拷贝所用的时间甚至占到了数据包整个处理流程时间的57.1%
什么是零拷贝
零拷贝就是上述问题的一个解决方案，通过尽量避免拷贝操作来缓解 CPU 的压力。零拷贝并没有真正做到“0”拷贝，它更多是一种思想，很多的零拷贝技术都是基于这个思想去做的优化
nginx介绍
特性：
模块化设计，较好的扩展性
高可靠性
支持热部署：不停机更新配置文件，升级版本，更换日志文件
低内存消耗：10000个keep-alive连接模式下的非活动连接，仅需2.5M内存
event-driven，aio，mmap，sendfile
基本功能：
静态资源的web服务器
http协议反向代理服务器
pop3/imap4协议反向代理服务器
FastCGI(LNMP),uWSGI(python)等协议
模块化（非DSO），如zip，SSL模块
nginx架构
web服务相关的功能：
虚拟主机（server）
支持 keep-alive 和管道连接（ 共享TCP连接发起并发的HTTP请求）
访问日志（支持基于日志缓冲提高其性能）
url rewrite
路径别名
基于IP及用户的访问控制
支持速率限制及并发数限制
重新配置和在线升级而无须中断客户的工作进程
Memcached 的 GET 接口
nginx的程序架构：
master/worker结构
一个master进程：
负载加载和分析配置文件、管理worker进程、平滑升级
一个或多个worker进程
处理并响应用户请求
缓存相关的进程：
cache loader：载入缓存对象
cache manager：管理缓存对象
nginx高度模块化，但其模块早期不支持DSO机制；1.9.11版本支持动态装载和卸载
模块分类：
核心模块：core module
标准模块：
•HTTP 模块： ngx_http_*
HTTP Core modules 默认功能
HTTP Optional modules 需编译时指定
•Mail 模块 ngx_mail_*
•Stream 模块 ngx_stream_*
第三方模块
nginx模块
核心模块：是 Nginx 服务器正常运行 必不可少 的模块，提供 错误日志记录 、 配置文件解析 、 事件驱动机制 、 进程管理 等核心功能
标准HTTP模块：提供 HTTP 协议解析相关的功能，比如： 端口配置 、 网页编码设置 、 HTTP响应头设置 等等
可选HTTP模块：主要用于扩展标准的 HTTP 功能，让 Nginx 能处理一些特殊的服务，比如： Flash 多媒体传输 、解析 GeoIP 请求、 网络传输压缩 、 安全协议 SSL 支持等
邮件服务模块：主要用于支持 Nginx 的 邮件服务 ，包括对 POP3 协议、 IMAP 协议和 SMTP协议的支持
第三方模块：是为了扩展 Nginx 服务器应用，完成开发者自定义功能，比如： Json 支持、 Lua 支持等
nginx的功用
静态的web资源服务器
html，图片，js，css，txt等静态资源
结合FastCGI/uWSGI/SCGI等协议反向代理动态资源请求
http/https协议的反向代理
imap4/pop3协议的反向代理
tcp/udp协议的请求转发（反向代理）