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一.阻塞IO(BIO)
阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型,一般表现为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。
缺点就是比较耗费时间,比较适合那种对并发的需求量小的情况(并发低,时效性要求低)
二.非阻塞IO(NIO)
非阻塞的IO模型。应用进程与内核交互,目的未达到之前,不再一味的等着,而是直接返回。然后通过轮询的方式,不停的去问内核数据准备有没有准备好。如果某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。
两次轮询的过程中可以去做一些其他的事情,增加时间效率
三.信号驱动模型
应用进程预先向内核注册一个信号处理函数,然后用户进程返回,并且不阻塞,当内核数据准备就绪时会发送一个信号给进程,用户进程便在信号处理函数中开始把数据拷贝的用户空间中。
四.IO多路复用
多个进程的IO可以注册到同一个管道上,这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后,进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。
IO多路转接是多了一个select函数,多个进程的IO可以注册到同一个select上,当用户进程调用该select,select会监听所有注册好的IO,如果所有被监听的IO需要的数据都没有准备好时,select调用进程会阻塞。当任意一个IO所需的数据准备好之后,select调用就会返回,然后进程在通过recvfrom来进行数据拷贝。
五.异步IO
用户进程发起aio_read操作之后,给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小等,告诉内核当整个操作完成时,如何通知进程,然后就立刻去做其他事情了。当内核收到aio_read后,会立刻返回,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控件,然后再通知进程本次IO已经完成。
六.Select 实现IO多路复用
select机制中提供了一种fd_set的数据结构,它是一个long类型的数组,每个被select监听的socket都可以在数组中找到对应的下标位置,这个对应关系的建立是由程序员来完成,当调用select()函数的时候,用户态会根据IO状态修改fd_set中的内容,由此来通知select函数,那个IO的数据已经准备好了,然后select遍历整个fd_set数组找到对应的io,进行数据拷贝。
select 机制的问题:
1.每次调用select 都需要将数据从用户态拷贝到内核态,如果fd_set数据太大,如果fd_set集合很大,开销也很很大
2.每次内核完成了一个IO的数据准备修改fd_set集合,则select函数要从头遍历整个数组,寻找对应的socket或文件程序,如果fd_set集合很大,开销也很大
3 .为了减少数据拷贝带来的性能损坏,内核对被监控的fd_set集合大小做了限制,并且这个是通过宏控制的,大小不可改变(限制为1024)
七.poll
poll 本质上和select没有什么区别,只是不限制fd_set集合的大小了,底层实现用的是链表
八.epoll
epoll 被分为epoll_create,epoll_ctrl,epoll_wait
epoll_create 用于建立一个epoll对象在内核(在epoll文件系统中给这个句柄分配资源)
epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字;
epoll_wait收集发生事件的连接
epoll_create时,内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点,在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外,还会再建立一个rdllist双向链表,用于存储准备就绪的事件,当epoll_wait调用时,仅仅观察这个rdllist双向链表里有没有数据即可。有数据就返回,没有数据就sleep,等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以,epoll_wait非常高效。
所有添加到epoll中的事件都会与设备(如网卡)驱动程序建立回调关系,也就是说相应事件的发生时会调用这里的回调方法。这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback,它会把这样的事件放到上面的rdllist双向链表中。
当调用epoll_wait检查是否有发生事件的连接时,只是检查eventpoll对象中的rdllist双向链表是否有epitem元素而已,如果rdllist链表不为空,则这里的事件复制到用户态内存(使用共享内存提高效率)中,同时将事件数量返回给用户。因此epoll_waitx效率非常高。epoll_ctl在向epoll对象中添加、修改、删除事件时,从rbr红黑树中查找事件也非常快,也就是说epoll是非常高效的,它可以轻易地处理百万级别的并发连接。