LinuxIO模型

2022-08-18 阅读量

0x00 引言

Linux系统中的IO模型主要分为五种^[1]:1.阻塞IO;2.非阻塞IO;3.IO多路复用;4.信号驱动IO;5.异步IO
前四种都可以归类为同步IO，目前最常用的是IO多路复用，本文将详细介绍这五种IO模型，参考文献^[2]。

0x01 同步IO模型 - 阻塞IO

1 2	1 单线程 2 多线程

1、单线程
在没有使用IO多路复用机制时，有BIO、NIO两种实现方式，但是会出现阻塞或者开销大的问题。其中前者即为阻塞IO，服务端会阻塞在accept函数，在客户端connect建立连接后，又会阻塞在read函数，直到客户端执行write函数。

2、多线程
为了解决单线程无法处理多个IO的问题，可以使用多线程的方式:

0x02 同步IO模型 - 非阻塞IO

虽然多线程阻塞IO能够使每个线程各自处理自己的dowork()，但是这还称不上非阻塞IO，因为每个线程中的read函数仍然会阻塞当前线程。非阻塞IO(NIO)需要通过设置，将read函数稍作改变，执行read时会判断fd文件描述符（下文简称fd）是否就绪，若没有则返回-1直接退出，而不是阻塞在原地一直等待fd就绪。

0x03 同步IO模型 - IO多路复用

非阻塞IO还存在许多可优化的地方，比如不需要为每个fd开一个线程去监听。解决方案是分化一个管理线程用于循环read每个fd。
现在线程就分成了三类:1.主线程(监听连接);2.管理线程(遍历fd);工作线程(处理业务)
虽然从每一个子线程read自己的fd变成了只有一个管理线程read所有的fd，但fd一旦多起来，管理线程在用户态read未就绪的fd时也存在着一定的性能消耗。select/poll/epoll即是为解决这个问题而产生的:

1 2	1 select/poll 2 *epoll

	select	poll	epoll
数据结构	bitmap	数组	红黑树
最大连接数	1024	无上限	无上限
fd拷贝	每次调用selec拷贝	每次调用poll拷贝	fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝
工作效率	轮询O：(n）	轮询：O(n）	回调：O(1）

1、select/poll
select是操作系统提供的系统调用函数，通过它我们可以把一个文件描述符的数组发给操作系统，让操作系统去遍历，确定哪个文件描述符可以读写，然后告诉我们去处理。
poll跟select几乎一模一样，只是取消了select的最大fd个数1024的限制

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/time.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

/*
int select(
    int nfds,
    fd_set *readfds,
    fd_set *writefds,
    fd_set *exceptfds,
    struct timeval *timeout
);
nfds:监控的文件描述符集里最大文件描述符加1
readfds：监控有读数据到达文件描述符集合，传入传出参数
writefds：监控写数据到达文件描述符集合，传入传出参数
exceptfds：监控异常发生达文件描述符集合, 传入传出参数
timeout：定时阻塞监控时间，3种情况
    1.NULL，永远等下去
    2.设置timeval，等待固定时间
    3.设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询

FD_CLR(inr fd,fd_set* set)：用来清除描述词组set中相关fd 的位
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)：用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真（也就是是否已经就绪）
FD_SET(int fd,fd_set*set)：用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO(fd_set *set)：用来清除描述词组set的全部位
*/

const int LEN = 1024;
int fds[2]; //只监测标准输入与输出这两个文件描述符
int main()
{
    int std_in = 0;
    int std_out = 1;
    int fds_max = 1;
    fd_set reads, writes;
    struct timeval timeout;

    fds[0] = std_in;
    fds[1] = std_out;

    while(1) {
        FD_ZERO(&reads);
        FD_ZERO(&writes);
        FD_SET(std_in, &reads); //标准输入关注的是读事件
        FD_SET(std_out, &writes); //标准输出关注的是写事件
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 0;
        switch(select(fds_max + 1, &reads, &writes, NULL, &timeout)) {
            case 0:
                printf("select time out ......\n");
                break;
            case -1:
                perror("select");
                break;
            default:
                //可以从标准输入中读 
                if(FD_ISSET(fds[0], &reads)) {
                    char buf[LEN];
                    memset(buf, '\0', LEN);
                    gets(buf);
                    printf("echo: %s\n", buf);      

                    if(strncmp(buf, "quit", 4) == 0)
                        exit(0);
                }
                break;
        }
    }
}

2、epoll
epoll也就是现在市面上使用最多的方式，解决了刚刚select所说的三个缺点：内核存在拷贝，内核是同步IO，只返回个数

0x04 同步IO模型 - 信号驱动IO

0x05 异步IO模型

0x06 引用文献

[1]https://cloud.tencent.com/developer/article/1005481
[2]https://blog.csdn.net/weixin_44806108/article/details/124748656