怎么理解UNIX的網(wǎng)絡(luò)I/O模型

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UNIX的網(wǎng)絡(luò)I/O模型：

    概念：
        1)linux內(nèi)核對(duì)一個(gè)文件的讀寫(xiě)操作會(huì)調(diào)用內(nèi)核提供的系統(tǒng)命令，返回一個(gè)文件描述符(file discriptor，簡(jiǎn)稱(chēng)fd)。
            描述符就是一個(gè)數(shù)字，它指向內(nèi)核中的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了文件路徑等信息。 eg：對(duì)socket的讀寫(xiě)會(huì)返回一個(gè)描述符 socketfd
        2)一次?絡(luò)I/O的讀操作會(huì)包含下面這兩個(gè)階段：1)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 2)數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間(即用戶(hù)進(jìn)程)。

    1）阻塞I/O模型：blocking I/O
        概念：用戶(hù)進(jìn)程從阻塞的socket中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)該socket的接收緩存區(qū)且數(shù)據(jù)被復(fù)制到進(jìn)程空間的緩存區(qū)中 或 發(fā)生錯(cuò)誤時(shí) 才返回，在此期間進(jìn)程會(huì)一直阻塞等待。

        說(shuō)明：默認(rèn)情況下，所有的文件操作都是阻塞的。
        缺點(diǎn)：客戶(hù)端的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)量比較高時(shí)，服務(wù)端需要?jiǎng)?chuàng)建大量的線(xiàn)程來(lái)響應(yīng)請(qǐng)求，當(dāng)線(xiàn)程的數(shù)量膨脹后，系統(tǒng)的性能會(huì)急劇下降甚至宕機(jī)。

        偽異步I/O模型：
            概念：為了解決阻塞I/O模型中需要為每一個(gè)請(qǐng)求都創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程的問(wèn)題，服務(wù)端可以使用線(xiàn)程池來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)偽異步I/O模型。
            偽異步I/O模型可能導(dǎo)致的級(jí)聯(lián)故障：某臺(tái)服務(wù)器故障導(dǎo)致響應(yīng)緩慢 -> 線(xiàn)程讀取故障服務(wù)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng) -> 所有線(xiàn)程被故障節(jié)點(diǎn)阻塞，后續(xù)IO消息都在隊(duì)列中 -> 隊(duì)列積滿(mǎn) -> 新的客戶(hù)端請(qǐng)求被拒絕，服務(wù)器無(wú)響應(yīng)

    2）非阻塞I/O模型：nonblocking I/O
        概念：用戶(hù)進(jìn)程從非阻塞的socket中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，若該套接字的接收緩存區(qū)中沒(méi)有數(shù)據(jù)，則內(nèi)核會(huì)直接返回一個(gè)錯(cuò)誤。

        說(shuō)明：一般當(dāng)socket設(shè)為非阻塞狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)進(jìn)程會(huì)輪詢(xún)內(nèi)核(eg:循環(huán)調(diào)用recvfrom函數(shù))，直到內(nèi)核有數(shù)據(jù)返回為止，因此會(huì)導(dǎo)致大量cpu資源被占用。

    3）I/O復(fù)用模型：I/O multiplexing
        概念：將多個(gè)待監(jiān)聽(tīng)的fd注冊(cè)到多路復(fù)用器(selector)中，注冊(cè)的時(shí)候需要指定該fd上待監(jiān)聽(tīng)的事件，selector會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)注冊(cè)的fd，當(dāng)fd上有事件發(fā)生時(shí)，selector會(huì)做出相應(yīng)的處理。

        說(shuō)明：
            與阻塞I/O模型相比，I/O復(fù)用模型是阻塞在select調(diào)用(或poll調(diào)用、或epoll調(diào)用)上，而不是阻塞在真正的I/O操作上。注意：阻塞是針對(duì)發(fā)起方而言的。
            獲取fd的狀態(tài)：內(nèi)核把fd的信息通知給用戶(hù)空間。
            水平觸發(fā)：若就緒的fd未被用戶(hù)進(jìn)程處理，則該fd在下一次查詢(xún)時(shí)依舊會(huì)返回。
            邊緣觸發(fā)：無(wú)論就緒的fd是否被用戶(hù)進(jìn)程處理，該fd在下一次查詢(xún)時(shí)將不再返回。

        優(yōu)點(diǎn)：
            客戶(hù)端發(fā)起的連接操作是異步的，故單線(xiàn)程可以同時(shí)處理多個(gè)客戶(hù)端的IO請(qǐng)求。系統(tǒng)不需要為每個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求都創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，這樣大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，
        缺點(diǎn)：

        select調(diào)用：
            概念：多路復(fù)用器(selector)由select函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

            監(jiān)聽(tīng)機(jī)制：
                輪詢(xún)注冊(cè)的fd，并根據(jù)fd的狀態(tài)做相應(yīng)的處理：
                    讀就緒狀態(tài)             ->    讀數(shù)據(jù) 并 刪除該讀就緒事件
                    寫(xiě)就緒狀態(tài)             ->    寫(xiě)數(shù)據(jù) 并 刪除該寫(xiě)就緒事件
                    接收(accept)就緒狀態(tài)     ->    注冊(cè)新的讀就緒事件 并 刪除該接收就緒事件
                    ...
                獲取fd的狀態(tài)：內(nèi)核把所有監(jiān)聽(tīng)的fd的信息整體復(fù)制到用戶(hù)空間。

            觸發(fā)方式：水平觸發(fā)。

            優(yōu)點(diǎn)：與非阻塞式I/O模式相比，select調(diào)用不需要客戶(hù)端不斷地發(fā)出請(qǐng)求。
            缺點(diǎn)：
                單個(gè)進(jìn)程可以打開(kāi)的fd數(shù)量有限，默認(rèn)1024個(gè)，如果要修改這個(gè)默認(rèn)值，需要重新編譯內(nèi)核。
                每次select調(diào)用都會(huì)線(xiàn)性地掃描所有監(jiān)聽(tīng)的fd(即:無(wú)論fd是否就緒，select都會(huì)去檢查它的狀態(tài))，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)的fd數(shù)量比較多時(shí)，I/O效率呈線(xiàn)性下降。

        poll調(diào)用：
            概念：多路復(fù)用器(selector)由poll函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

            監(jiān)聽(tīng)機(jī)制：同select調(diào)用。

            觸發(fā)方式：水平觸發(fā)。

            優(yōu)點(diǎn)：
                單個(gè)進(jìn)程可以打開(kāi)的fd數(shù)量不受限制。
            缺點(diǎn)：
                線(xiàn)性地掃描所有監(jiān)聽(tīng)的fd，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)的fd數(shù)量比較多時(shí)，I/O效率呈線(xiàn)性下降。

        epoll調(diào)用：
            概念：selector由一系列epoll_函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

            監(jiān)聽(tīng)機(jī)制：
                當(dāng)fd就緒時(shí)，fd會(huì)立即回調(diào)rollback函數(shù)。而那些沒(méi)有就緒的fd則不會(huì)回調(diào)rollback函數(shù)。
                獲取fd的狀態(tài)：使用內(nèi)存映射，不需要把fd的信息從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間。

            觸發(fā)方式：默認(rèn)是水平觸發(fā)，支持邊緣觸發(fā)。

            優(yōu)點(diǎn)：
                單個(gè)進(jìn)程可以打開(kāi)的fd數(shù)量不受限制。(僅受限于操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)，1g內(nèi)存的最大文件句柄數(shù)為10w左右)
                由于epoll采用的是回調(diào)函數(shù)的方式，而不是線(xiàn)性?huà)呙璧姆绞?，故I/O效率不會(huì)隨著fd數(shù)量的增加而線(xiàn)性下降。
                使用內(nèi)存映射，避免了內(nèi)存復(fù)制的開(kāi)銷(xiāo)，加速了內(nèi)核與用戶(hù)空間的消息傳遞。
            缺點(diǎn)：
                在連接數(shù)少并且連接都十分活躍的情況下，epoll的性能可能比select和poll的性能差，畢竟epoll的通知機(jī)制需要很多函數(shù)回調(diào)。

    4）信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O模型：SIGIO
        開(kāi)啟套接字信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO功能，并通過(guò)sigaction系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好時(shí)，內(nèi)核就為該進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)SIGIO信號(hào)，用戶(hù)進(jìn)程收到這個(gè)信號(hào)后，就可以開(kāi)始進(jìn)行I/O操作了。
        該系統(tǒng)調(diào)用會(huì)立即返回，在等待數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)期間，用戶(hù)進(jìn)程不會(huì)被阻塞。
        
        說(shuō)明：信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O模型使用的場(chǎng)景比較少。

    5）異步I/O模型：POSIX定義的異步IO函數(shù)
        
        調(diào)用異步IO函數(shù)，讓內(nèi)核在整個(gè)I/O操作(包括將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)自己的緩沖區(qū))完成后通知用戶(hù)進(jìn)程。
        該系統(tǒng)調(diào)用會(huì)立即返回，在等待I/O操作期間，用戶(hù)進(jìn)程不被阻塞。

        說(shuō)明：同步/異步是針對(duì)執(zhí)行方而言的。      

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當(dāng)前標(biāo)題：怎么理解UNIX的網(wǎng)絡(luò)I/O模型
標(biāo)題網(wǎng)址：http://muchs.cn/article38/ipjspp.html

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