Unix I/O 模型
一个输入操作通常包括两个阶段：
- 等待数据准备好
- 从内核向进程复制数据
对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
Unix 下有五种 I/O 模型：
- 阻塞式 I/O
- 非阻塞式 I/O
- I/O 复用（select 和 poll）
- 信号驱动式 I/O（SIGIO）
- 异步 I/O（AIO）
阻塞式 I/O
应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。
应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。
下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
非阻塞式 I/O
应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。
由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型是比较低效的。
I/O 复用
使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。
它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。
如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。并且相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。
信号驱动 I/O
应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。
异步 I/O
进行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。
异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。
同步 I/O 与异步 I/O
- 同步 I/O：应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
- 异步 I/O：不会阻塞。
阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。
五大 I/O 模型比较
前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段，而第二个阶段是一样的：将数据从内核复制到应用进程过程中，应用进程会被阻塞。
二、I/O 复用
select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。
select
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
有三种类型的描述符类型：readset、writeset、exceptset，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。fd_set 使用数组实现，数组大小使用 FD_SETSIZE 定义。
timeout 为超时参数，调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout。
成功调用返回结果大于 0，出错返回结果为 -1，超时返回结果为 0。
fd_set fd_in, fd_out; struct timeval tv; // Reset the sets FD_ZERO( &fd_in ); FD_ZERO( &fd_out ); // Monitor sock1 for input events FD_SET( sock1, &fd_in ); // Monitor sock2 for output events FD_SET( sock2, &fd_out ); // Find out which socket has the largest numeric value as select requires it int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2; // Wait up to 10 seconds tv.tv_sec = 10; tv.tv_usec = 0; // Call the select int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv ); // Check if select actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) ) // input event on sock1 if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) ) // output event on sock2 }
poll
int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
pollfd 使用链表实现。
// The structure for two events struct pollfd fds[2]; // Monitor sock1 for input fds[0].fd = sock1; fds[0].events = POLLIN; // Monitor sock2 for output fds[1].fd = sock2; fds[1].events = POLLOUT; // Wait 10 seconds int ret = poll( &fds, 2, 10000 ); // Check if poll actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure if ( pfd[0].revents & POLLIN ) pfd[0].revents = 0; // input event on sock1 if ( pfd[1].revents & POLLOUT ) pfd[1].revents = 0; // output event on sock2 }
比较
1. 功能
select 和 poll 的功能基本相同，不过在一些实现细节上有所不同。
- select 会修改描述符，而 poll 不会；
- select 的描述符类型使用数组实现，FD_SETSIZE 大小默认为 1024，因此默认只能监听 1024 个描述符。如果要监听更多描述符的话，需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译；而 poll 的描述符类型使用链表实现，没有描述符的数量的限制；
- poll 提供了更多的事件类型，并且对描述符的重复利用上比 select 高。
- 如果一个线程对某个描述符调用了 select 或者 poll，另一个线程关闭了该描述符，会导致调用结果不确定。
2. 速度
select 和 poll 速度都比较慢。
- select 和 poll 每次调用都需要将全部描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。
- select 和 poll 的返回结果中没有声明哪些描述符已经准备好，所以如果返回值大于 0 时，应用进程都需要使用轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符。
3. 可移植性
几乎所有的系统都支持 select，但是只有比较新的系统支持 poll。
epoll
int epoll_create(int size); int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)； int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。
从上面的描述可以看出，epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次，并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。
epoll 仅适用于 Linux OS。
epoll 比 select 和 poll 更加灵活而且没有描述符数量限制。
epoll 对多线程编程更有友好，一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 select 和 poll 的不确定情况。
// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets. // The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE ); if ( pollingfd < 0 ) // report error // Initialize the epoll structure in case more members are added in future struct epoll_event ev = { 0 }; // Associate the connection class instance with the event. You can associate anything // you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1 ev.data.ptr = pConnection1; // Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT; // Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is // waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 ) // report error // Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen) struct epoll_event pevents[ 20 ]; // Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 ); // Check if epoll actually succeed if ( ret == -1 ) // report error and abort else if ( ret == 0 ) // timeout; no event detected else { // Check if any events detected for ( int i = 0; i < ret; i++ ) { if ( pevents[i].events & EPOLLIN ) { // Get back our connection pointer Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr; c->handleReadEvent(); } } }
工作模式
epoll 的描述符事件有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。
1. LT 模式
当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。
2. ET 模式
和 LT 模式不同的是，通知之后进程必须立即处理事件，下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。
很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
应用场景
很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select 和 poll 都已经过时了，其实它们都有各自的使用场景。
1. select 应用场景
select 的 timeout 参数精度为 1ns，而 poll 和 epoll 为 1ms，因此 select 更加适用于实时要求更高的场景，比如核反应堆的控制。
select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。
2. poll 应用场景
poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。
需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。
需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的，也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。
3. epoll 应用场景
只需要运行在 Linux 平台上，并且有非常大量的描述符需要同时轮询，而且这些连接最好是长连接。
参考资料
- Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.
- Boost application performance using asynchronous I/O
- Synchronous and Asynchronous I/O
- Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解
- poll vs select vs event-based
- select / poll / epoll: practical difference for system architects
- Browse the source code of userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/ online
