欢迎光临
我的个人博客网站

浅析I/O模型-select、poll、epoll


I/O流

  1. 概念

    (1)c++中将数据的输入输出称之为流(stream),在c++中,流被定义为类,成为流类(stream class),其定义的对象为流对象。

    (2)文件,套接字(socket),管道(pipe)等能够进行I/O操作的对象,可以被看做为流

  2. 工作机制

    (1)大多数文件系统的默认I/O操作都是缓存I/O。在Linux的缓存I/O机制中,读取数据时,都会将数据先拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后将操作系统内核缓冲区的数据拷贝到应用程序的地址空间,写的过程则相反。

    (2)缓存I/O使用操作系统内核缓冲区,在一定程度上分离了应用程序空间和实际的物理设备,通过将数据写入缓冲区后,再一次性处理,减少了读盘的次数,从而提高了性能

I/O模型

  1. 同步与异步:关注的是消息通信机制

    同步(synchronous):调用者会一直“等待”被调用者返回消息,才能继续执行,在此期间,调用者不能做其它事

    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,在此期间,调用者可以边“等待”,边做其它事

  2. 阻塞和非阻塞:关注调用者的状态

    阻塞(blocking):调用者一直“等待”所处的状态

    非阻塞(blocking):调用者能够边“等待”,边做其它事的状态

  3. 同步I/O

    (1)阻塞式I/O:程序发出I/O请求,如果内核缓冲区为空,此时进行读操作,那么该程序就会阻塞

    (2)非阻塞式I/O:程序发出I/O请求,如果内核缓冲区为空,此时进行读操作,此时就会立刻返回一个错误

    (3)I/O复用

    ​ a. 这是一种机制,程序注册一组文件描述符给操作系统,监视多个描述符,一旦某个描述符就绪(一般是读就绪或者写就绪),能够通知程序进行相应的读写操作。表示“我要监视这些fd是否有I/O事件发生,有了就告诉程序处理”。

    ​ b. 当多个I/O流共用一个等待机制时,该模型会阻塞进程,但是进程时阻塞在这种机制的系统调用上,不是阻塞在真正的I/O操作上

    ​ c. I/O多路复用需要和非阻塞I/O一起使用,非阻塞I/O和I/O多路复用式相对独立的。非阻塞I/O仅仅指流对象立刻返回,不会被阻塞;而I/O多路复用只是操作系统提供的一种便利的通知机制。

    (4)信号驱动式I/O

    ​ a. 用户进程可以通过系统调用注册一个信号处理程序,然后主程序可以继续向下执行,当有I/O操作准备就绪时,由内核通知触发一个SIGIO信号处理程序执行,然后将用户进程所需要的数据从内核空间拷贝到用户空间

    ​ b. 此模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行,只要等待来自信号处理函数的通知。

  4. 异步I/O

    ​ a. 程序进程向内核发送I/O调用后,不用等待内核响应,可以继续接受其他请求,内核调用的I/O如果不能立即返回,内核会继续处理其他事物,直到I/O完成后将结果通知给内核

    ​ b. 信号驱动式IO是由内核通知我们何时启动一个IO操作,而异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成。

I/O复用模型

  1. select

    select的大致工作流程:

    (1)采用数组组织文件描述符

    (2)通过遍历数组的方式,监视文件描述符的状态(可读,可写,异常)

    (3)如果没有可读/可写的文件描述符,进程会阻塞等待一段事件,超时就返回

    (4)当有一个可读/可写的文件描述符存在时,进程会从阻塞状态醒来

    (5)进行无差别轮询,找出能够操作的I/O流,若处理后,会移除对应的文件描述符

    select的缺点:

    (1)每次调用select,都需要把文件描述符集合从用户空间贝到内核空间,这个开销在I/O流很多时会很大

    (2)同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所文件描述符数组,这个开销在I/O流很多时也很大

    (3)select支持的文件描述符数量太小了,默认是1024

  2. poll

    (1)采用链表组织文件描述符

    (2)原理和select一致

    (3)只是解决了支持的文件描述符受限的缺点

    (4)select和poll都是水平触发:找到可操作的I/O流并通知进程,但进程本次没有处理,文件描述符没有被移除,下次轮询时依旧会通知

  3. epoll

    工作原理:

    (1)红黑树和就绪链表,红黑树用于管理所有的文件描述符,就绪链表用于保存有事件发生的文件描述符。

    (2)接收到I/O请求,会在红黑树查找是否存在,不存在就添加到红黑树中,存在则将对应的文件描述符放入就绪链表中

    (3)如果就绪链表为空,进程则阻塞否则遍历就绪链表,并通知应用进程处理文件描述符对应的I/O

    工作模式:

    (1)LT模式(水平触发):检测到可处理的文件描述符时,通知应用程序,应用程序可以不立即处理该事件。后续会再次通知

    (2)ET模式(边缘触发):检测到可处理的文件描述符时,通知应用程序,应用程序必须立即处理该事件。如果本次不处理,则后续不再通知

参考资料

IO五种模型和select与epoll工作原理(引入nginx) – osc_1ont5xz2的个人空间 – OSCHINA – 中文开源技术交流社区

IO模型:同步、异步、阻塞、非阻塞 | 神奕的博客 (songlee24.github.io)

(3) io复用与epoll模型详解_个人文章 – SegmentFault 思否

(3) Linux IO模式及 select、poll、epoll详解_人云思云 – SegmentFault 思否

Linux 网络编程的5种IO模型:多路复用(select/poll/epoll) – 黄树超 – 博客园 (cnblogs.com)

(3) 网络编程——select模型(总结)_个人文章 – SegmentFault 思否

网络编程之IO模型与Epoll – 简书 (jianshu.com)

彻底搞懂epoll高效运行的原理 – 简书 (jianshu.com)

如果这篇文章说不清epoll的本质,那就过来掐死我吧! (3) – 知乎 (zhihu.com)

赞(0) 打赏
未经允许不得转载:张拓的天空 » 浅析I/O模型-select、poll、epoll
分享到: 更多 (0)

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址

专业的IT技术经验分享 更专业 更方便

联系我们本站主机

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏