這篇文章主要講解了“I/O模型的相關(guān)問題有哪些”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“I/O模型的相關(guān)問題有哪些”吧！
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最近通過對ucore操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓我打開了操作系統(tǒng)內(nèi)核這一黑盒子，與之前所學(xué)知識結(jié)合起來，解答了長久以來困擾我的關(guān)于I/O的一些問題。
1. 為什么redis能以單工作線程處理高達幾萬的并發(fā)請求？
2. 什么是I/O多路復(fù)用？為什么redis、nginx、nodeJS以及netty等以高性能著稱的服務(wù)器其底層都利用了I/O多路復(fù)用技術(shù)？
3. 非阻塞I/O為什么會流行起來，在許多場景下取代了傳統(tǒng)的阻塞I/O？
4. 非阻塞I/O真的是銀彈嗎？為什么即使在為海量用戶提供服務(wù)的，追求高性能的互聯(lián)網(wǎng)公司中依然有那么多的服務(wù)器在傳統(tǒng)的阻塞IO模型下工作？
5. 什么是協(xié)程？為什么Go語言這么受歡迎？
在這篇博客中，將介紹不同層面、不同I/O模型的原理，并嘗試著給出我對上述問題的回答。如果你也或多或少的對上述問題感到疑惑，希望這篇博客能為你提供幫助。
I/O模型和硬件、操作系統(tǒng)內(nèi)核息息相關(guān)，博客中會涉及到諸如保護模式、中斷、特權(quán)級、進程/線程、上下文切換、系統(tǒng)調(diào)用等關(guān)于操作系統(tǒng)、硬件相關(guān)的概念。由于計算機中的知識是按照層次組織起來的，如果對這些相對底層的概念不是很了解的話可能會影響對整體內(nèi)容的理解。可以參考一下我關(guān)于操作系統(tǒng)、硬件學(xué)習(xí)相關(guān)的博客：x86匯編學(xué)習(xí)、操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)(持續(xù)更新中)。
軟件的功能總是構(gòu)建在硬件上的，計算機中的I/O本質(zhì)上是CPU/內(nèi)存與外設(shè)(網(wǎng)卡、磁盤等)進行數(shù)據(jù)的單向或雙向傳輸。
從外設(shè)讀入數(shù)據(jù)到CPU/內(nèi)存稱作Input輸入，從CPU/內(nèi)存中寫出數(shù)據(jù)到外設(shè)稱作Output輸出。
要想理解軟件層次上的不同I/O模型，必須先對其基于的硬件I/O模型有一個基本的認(rèn)識。硬件I/O模型大致可以分為三種：程序控制I/O、中斷驅(qū)動I/O、使用DMA的I/O。
程序控制I/O模型中，通過指令控制CPU不斷的輪詢外設(shè)是否就緒，當(dāng)硬件就緒時一點一點的反復(fù)讀/寫數(shù)據(jù)。
從CPU的角度來說，程序控制I/O模型是同步、阻塞的(同步指的是I/O操作依然是處于程序指令控制，由CPU主導(dǎo)的；阻塞指的是在發(fā)起I/O后CPU必須持續(xù)輪詢完成狀態(tài)，無法執(zhí)行別的指令)。
程序控制I/O的優(yōu)點：
硬件結(jié)構(gòu)簡單，編寫對應(yīng)程序也簡單。
程序控制I/O的缺點：
十分消耗CPU，持續(xù)的輪訓(xùn)令寶貴的CPU資源無謂的浪費在了等待I/O完成的過程中，導(dǎo)致CPU利用率不高。
為了解決上述程序控制I/O模型對CPU資源利用率不高的問題，計算機硬件的設(shè)計者令CPU擁有了處理中斷的功能。
在中斷驅(qū)動I/O模型中，CPU發(fā)起對外設(shè)的I/O請求后，就直接去執(zhí)行別的指令了。當(dāng)硬件處理完I/O請求后，通過中斷異步的通知CPU。接到讀取完成中斷通知后，CPU負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從外設(shè)緩沖區(qū)中寫入內(nèi)存；接到寫出完成中斷通知后，CPU需要將內(nèi)存中后續(xù)的數(shù)據(jù)接著寫出交給外設(shè)處理。
從CPU的角度來說，中斷驅(qū)動I/O模型是同步、非阻塞的(同步指的是I/O操作依然是處于程序指令控制，由CPU主導(dǎo)的；非阻塞指的是在發(fā)起I/O后CPU不會停下等待，而是可以執(zhí)行別的指令)。
中斷驅(qū)動I/O的優(yōu)點：
由于I/O總是相對耗時的，比起通過程序控制I/O模型下CPU不停的輪訓(xùn)。在等待硬件I/O完成的過程中CPU可以解放出來執(zhí)行另外的命令，大大提高了I/O密集程序的CPU利用率。
中斷驅(qū)動I/O的缺點：
受制于硬件緩沖區(qū)的大小，一次硬件I/O可以處理的數(shù)據(jù)是相對有限的。在處理一次大數(shù)據(jù)的I/O請求中，CPU需要被反復(fù)的中斷，而處理讀寫中斷事件本身也是有一定開銷的。
為了解決中斷驅(qū)動I/O模型中，大數(shù)據(jù)量的I/O傳輸使得CPU需要反復(fù)處理中斷的缺陷，計算機硬件的設(shè)計者提出了基于DMA模式的I/O(DMA Direct Memory Access 直接存儲器訪問)。DMA也是一種處理器芯片，和CPU一樣也可以訪問內(nèi)存和外設(shè)，但DMA芯片是被設(shè)計來專門處理I/O數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此其成本相對CPU較低。
在使用DMA的I/O模型中，CPU與DMA芯片交互，指定需要讀/寫的數(shù)據(jù)塊大小和需要進行I/O數(shù)據(jù)的目的內(nèi)存地址后，便異步的處理別的指令了。由DMA與外設(shè)硬件進行交互，一次大數(shù)據(jù)量的I/O需要DMA反復(fù)的與外設(shè)進行交互，當(dāng)DMA完成了整體數(shù)據(jù)塊的I/O后(完整的將數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存或是完整的將某一內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)寫出到外設(shè))，再發(fā)起DMA中斷通知CPU。
從CPU的角度來說，使用DMA的I/O模型是異步、非阻塞的(異步指的是整個I/O操作并不是由CPU主導(dǎo)，而是由DMA芯片與外設(shè)交互完成的；非阻塞指的是在發(fā)起I/O后CPU不會停下等待，而是可以執(zhí)行別的指令)。
使用DMA的I/O優(yōu)點：
比起外設(shè)硬件中斷通知，對于一次完整的大數(shù)據(jù)內(nèi)存與外設(shè)間的I/O，CPU只需要處理一次中斷。CPU的利用效率相對來說是最高的。
使用DMA的I/O缺點：
1. 引入DMA芯片令硬件結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，成本較高。
2. 由于DMA芯片的引入，使得DMA和CPU并發(fā)的對內(nèi)存進行操作，在擁有高速緩存的CPU中，引入了高速緩存與內(nèi)存不一致的問題。
總的來說，自DMA技術(shù)被發(fā)明以來，由于其極大減少了CPU在I/O時的性能損耗，已經(jīng)成為了絕大多數(shù)通用計算機的硬件標(biāo)配。隨著技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了更先進的通道I/O方式，相當(dāng)于并發(fā)的DMA，允許并發(fā)的處理涉及多個不同內(nèi)存區(qū)域、外設(shè)硬件的I/O操作。
介紹完硬件的I/O模型后，下面介紹這篇博客的重點：操作系統(tǒng)I/O模型。
操作系統(tǒng)幫我們屏蔽了諸多硬件外設(shè)的差異，為應(yīng)用程序的開發(fā)者提供了友好、統(tǒng)一的服務(wù)。為了避免應(yīng)用程序破壞操作系統(tǒng)內(nèi)核，CPU提供了保護模式機制，使得應(yīng)用程序無法直接訪問被操作系統(tǒng)管理起來的外設(shè)，而必須通過內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用間接的訪問外設(shè)。關(guān)于操作系統(tǒng)I/O模型的討論針對的就是應(yīng)用程序與內(nèi)核之間進行I/O交互的系統(tǒng)調(diào)用模型。
' 操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的I/O模型大致可以分為幾種：同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O、同步I/O多路復(fù)用、異步非阻塞I/O（信號驅(qū)動I/O用的比較少，就不在這里展開了）。
我們已經(jīng)知道，高效的硬件層面I/O模型對于CPU來說是異步的，但應(yīng)用程序開發(fā)者總是希望在執(zhí)行完I/O系統(tǒng)調(diào)用后能同步的返回，線性的執(zhí)行后續(xù)邏輯(例如當(dāng)磁盤讀取的系統(tǒng)調(diào)用返回后，下一行代碼中就能直接訪問到所讀出的數(shù)據(jù))。但這與硬件層面耗時、異步的I/O模型相違背(程序控制I/O過于浪費CPU)，因此操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了基于同步、阻塞I/O的系統(tǒng)調(diào)用(BIO)來解決這一問題。
舉個例子：當(dāng)線程通過基于BIO的系統(tǒng)調(diào)用進行磁盤讀取時，內(nèi)核會令當(dāng)前線程進入阻塞態(tài)，讓出CPU資源給其它并發(fā)的就緒態(tài)線程，以便更有效率的利用CPU。當(dāng)DMA完成讀取，異步的I/O中斷到來時，內(nèi)核會找到先前被阻塞的對應(yīng)線程，將其喚醒進入就緒態(tài)。當(dāng)這個就緒態(tài)的線程被內(nèi)核CPU調(diào)度器選中再度獲得CPU時，便能從對應(yīng)的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)中得到讀取到的磁盤數(shù)據(jù)，程序同步的執(zhí)行流便能順利的向下執(zhí)行了。(感覺好像線程卡在了那里不動，過了一會才執(zhí)行下一行，且指定的緩沖區(qū)中已經(jīng)有了所需的數(shù)據(jù))
下面的偽代碼示例中參考linux的設(shè)計，將不同的外設(shè)統(tǒng)一抽象為文件，通過文件描述符(file descriptor)來統(tǒng)一的訪問。
BIO偽代碼實例 :
重慶分公司
重慶分公司
// 創(chuàng)建TCP套接字并綁定端口8888，進行服務(wù)監(jiān)聽
listenfd = serverSocket(8888,"tcp");
while(true){
// accept同步阻塞調(diào)用
newfd = accept(listenfd);
// read會阻塞，因此使用線程異步處理，避免阻塞accpet(一般使用線程池)
new thread(()->{
// 同步阻塞讀取數(shù)據(jù)
xxx = read(newfd);
... dosomething
// 關(guān)閉連接
close(newfd);
});
}
BIO模型的優(yōu)點：
BIO的I/O模型由于同步、阻塞的特性，屏蔽了底層實質(zhì)上異步的硬件交互方式，令程序員可以編寫出簡單易懂的線性程序邏輯。
BIO模型的缺點：
1. BIO的同步、阻塞特性在簡單易用的同時，也存在一些性能上的缺陷。由于BIO在等待I/O完成的時間中，線程雖然被阻塞不消耗CPU，但內(nèi)核維護一個系統(tǒng)級線程本身也是有一定的開銷(維護線程控制塊、內(nèi)核線程棧空間等等)。
2. 不同線程在調(diào)度時的上下文切換CPU開銷較大，在如今大量用戶、高并發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)時代越來越成為web服務(wù)器性能的瓶頸。線程上下文切換本身需要需要保存、恢復(fù)現(xiàn)場，同時還會清空CPU指令流水線，以及令高速緩存大量失效。對于一個web服務(wù)器，如果使用BIO模型，服務(wù)器將至少需要1:1的維護同等數(shù)量的系統(tǒng)級線程(內(nèi)核線程)，由于持續(xù)并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，導(dǎo)致不同線程由于網(wǎng)絡(luò)I/O的完成事件被內(nèi)核反復(fù)的調(diào)度。
在著名的C10K問題的語境下，一臺服務(wù)器需要同時維護1W個并發(fā)的tcp連接和對等的1W個系統(tǒng)級線程。量變引起質(zhì)變，1W個系統(tǒng)級線程調(diào)度引起的上下文切換和100個系統(tǒng)級線程的調(diào)度開銷完全不同，其將耗盡CPU資源，令整個系統(tǒng)卡死，崩潰。
BIO交互流程示意圖：
BIO模型簡單易用，但其阻塞內(nèi)核線程的特性使得其已經(jīng)不適用于需要處理大量(1K以上)并發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接場景的web服務(wù)器了。為此，操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了非阻塞特性的I/O系統(tǒng)調(diào)用，即NIO(NonBlocking-IO)。
針對BIO模型的缺陷，NIO模型的系統(tǒng)調(diào)用不會阻塞當(dāng)前調(diào)用線程。但由于I/O本質(zhì)上的耗時特性，無法立即得到I/O處理的結(jié)果，NIO的系統(tǒng)調(diào)用在I/O未完成時會返回特定標(biāo)識，代表對應(yīng)的I/O事件還未完成。因此需要應(yīng)用程序按照一定的頻率反復(fù)調(diào)用，以獲取最新的IO狀態(tài)。
NIO偽代碼實例 :
// 創(chuàng)建TCP套接字并綁定端口8888，進行服務(wù)監(jiān)聽
listenfd = serverSocket(8888,"tcp");
clientFdSet = empty_set();
while(true){ // 開啟事件監(jiān)聽循環(huán)
// accept同步非阻塞調(diào)用,判斷是否接收了新的連接
newfd = acceptNonBlock(listenfd);
if(newfd != EMPTY){
// 如果存在新連接將其加入監(jiān)聽連接集合
clientFdSet.add(newfd);
}
// 申請一個1024字節(jié)的緩沖區(qū)
buffer = new buffer(1024);
for(clientfd in clientFdSet){
// 非阻塞read讀
num = readNonBlock(clientfd,buffer);
if(num > 0){
// 讀緩沖區(qū)存在數(shù)據(jù)
data = buffer;
... dosomething
if(needClose(data)){
// 關(guān)閉連接時，移除當(dāng)前監(jiān)聽的連接
clientFdSet.remove(clientfd)；
}
}
... dosomething
// 清空buffer
buffer.clear();
}
}
NIO模型的優(yōu)點：
NIO因為其非阻塞的特性，使得一個線程可以處理多個并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)I/O連接。在C10K問題的語境下，理論上可以通過一個線程處理這1W個并發(fā)連接(對于多核CPU，可以創(chuàng)建多個線程在每個CPU核心中分?jǐn)傌?fù)載，提高性能)。
NIO模型的缺點：
NIO克服了BIO在高并發(fā)條件下的缺陷，但原始的NIO系統(tǒng)調(diào)用依然有著一定的性能問題。在上述偽代碼示例中，每個文件描述符對應(yīng)的I/O狀態(tài)查詢，都必須通過一次NIO系統(tǒng)調(diào)用才能完成。
由于操作系統(tǒng)內(nèi)核利用CPU提供的保護模式機制，使內(nèi)核運行在高特權(quán)級，而令用戶程序運行在執(zhí)行、訪問受限的低特權(quán)級。這樣設(shè)計的一個好處就是使得應(yīng)用程序無法直接的訪問硬件，而必須由操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用間接的訪問硬件(網(wǎng)卡、磁盤甚至電源等)。執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，需要令應(yīng)用線程通過系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核(即提高應(yīng)用程序的當(dāng)前特權(quán)級CPL，使其能夠訪問受保護的硬件)，并在系統(tǒng)調(diào)用返回時恢復(fù)為低特權(quán)級，這樣一個過程在硬件上是通過中斷實現(xiàn)的。
通過中斷實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的效率遠(yuǎn)低于應(yīng)用程序本地的函數(shù)調(diào)用，因此原始的NIO模式下通過系統(tǒng)調(diào)用循環(huán)訪問每個文件描述符I/O就緒狀態(tài)的方式是低效的。
NIO交互流程示意圖：
為了解決上述NIO模型的系統(tǒng)調(diào)用中，一次事件循環(huán)遍歷進行N次系統(tǒng)調(diào)用的缺陷。操作系統(tǒng)內(nèi)核在NIO系統(tǒng)調(diào)用的基礎(chǔ)上提供了I/O多路復(fù)用模型的系統(tǒng)調(diào)用。
I/O多路復(fù)用相對于NIO模型的一個優(yōu)化便是允許在一次I/O狀態(tài)查詢的系統(tǒng)調(diào)用中，一次傳遞復(fù)數(shù)個文件描述符進行批量的I/O狀態(tài)查詢。在一次事件循環(huán)中只需要進行一次I/O多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用就能得到所傳遞文件描述符集合的I/O狀態(tài)，減少了原始NIO模型中不必要的系統(tǒng)調(diào)用開銷。
多路復(fù)用I/O模型大致可以分為三種實現(xiàn)(雖然不同操作系統(tǒng)在最終實現(xiàn)上略有不同，但原理是類似的，示例代碼以linux內(nèi)核舉例)：select、poll、epoll。
select I/O多路復(fù)用器允許應(yīng)用程序傳遞需要監(jiān)聽事件變化的文件描述符集合，監(jiān)聽其讀/寫，接受連接等I/O事件的狀態(tài)。
select系統(tǒng)調(diào)用本身是同步、阻塞的，當(dāng)所傳遞的文件描述符集合中都沒有就緒的I/O事件時，執(zhí)行select系統(tǒng)調(diào)用的線程將會進入阻塞態(tài)，直到至少一個文件描述符對應(yīng)的I/O事件就緒，則喚醒被select阻塞的線程(可以指定超時時間來強制喚醒并返回)。喚醒后獲得CPU的線程在select系統(tǒng)調(diào)用返回后可以遍歷所傳入的文件描述符集合，處理完成了I/O事件的文件描述符。
select偽代碼示例：
// 創(chuàng)建TCP套接字并綁定端口8888，進行服務(wù)監(jiān)聽
listenfd = serverSocket(8888,"tcp");
fdNum = 1;
clientFdSet = empty_set();
clientFdSet.add(listenfd);
while(true){ // 開啟事件監(jiān)聽循環(huán)
// man 2 select(查看linux系統(tǒng)文檔)
// int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
// 參數(shù)nfds：一共需要監(jiān)聽的readfds、writefds、exceptfds中文件描述符個數(shù)+1
// 參數(shù)readfds/writefds/exceptfds： 需要監(jiān)聽讀、寫、異常事件的文件描述符集合
// 參數(shù)timeout：select是同步阻塞的，當(dāng)timeout時間內(nèi)都沒有任何I/O事件就緒，則調(diào)用線程被喚醒并返回(ret=0)
// timeout為null代表永久阻塞
// 返回值ret：
// 1.返回大于0的整數(shù)，代表傳入的readfds/writefds/exceptfds中共有ret個被激活(需要應(yīng)用程序自己遍歷)，
// 2.返回0，在阻塞超時前沒有任何I/O事件就緒
// 3.返回-1，出現(xiàn)錯誤
listenReadFd = clientFdSet;
// select多路復(fù)用，一次傳入需要監(jiān)聽事件的全量連接集合（超時時間1s）
result = select(fdNum+1,listenReadFd,null,null,timeval("1s"));
if(result > 0){
// 如果服務(wù)器監(jiān)聽連接存在讀事件
if(IN_SET(listenfd,listenReadFd)){
// 接收并建立連接
newClientFd = accept(listenfd);
// 加入客戶端連接集合
clientFdSet.add(newClientFd); fdNum++;
}
// 遍歷整個需要監(jiān)聽的客戶端連接集合
for(clientFd : clientFdSet){
// 如果當(dāng)前客戶端連接存在讀事件
if(IN_SET(clientFd,listenReadFd)){
// 阻塞讀取數(shù)據(jù)
data = read(clientfd);
... dosomething
if(needClose(data)){
// 關(guān)閉連接時，移除當(dāng)前監(jiān)聽的連接
clientFdSet.remove(clientfd)； fdNum--;
}
}
}
}
}
select的優(yōu)點：
1. select多路復(fù)用避免了上述原始NIO模型中無謂的多次查詢I/O狀態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用，將其聚合成集合，批量的進行監(jiān)聽并返回結(jié)果集。
2. select實現(xiàn)相對簡單，windows、linux等主流的操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了select系統(tǒng)調(diào)用，跨平臺的兼容性好。
select的缺點：
1. 在事件循環(huán)中，每次select系統(tǒng)調(diào)用都需要從用戶態(tài)全量的傳遞所需要監(jiān)聽的文件描述符集合，并且select返回后還需要全量遍歷之前傳入的文件描述符集合的狀態(tài)。
2. 出于性能的考量，內(nèi)核設(shè)置了select所監(jiān)聽文件描述符集合元素的最大數(shù)量(一般為1024，可在內(nèi)核啟動時指定)，使得單次select所能監(jiān)聽的連接數(shù)受到了限制。
3. 拋開性能的考慮，從接口設(shè)計的角度來看，select將系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)與返回值混合到了一起(返回值覆蓋了參數(shù))，增加了使用者理解的困難度。
I/O多路復(fù)用交互示意圖：
poll I/O多路復(fù)用器在使用上和select大同小異，也是通過傳入指定的文件描述符集合以及指定內(nèi)核監(jiān)聽對應(yīng)文件描述符上的I/O事件集合，但在實現(xiàn)的細(xì)節(jié)上基于select做了一定的優(yōu)化。
和select一樣，poll系統(tǒng)調(diào)用在沒有任何就緒事件發(fā)生時也是同步、阻塞的(可以指定超時時間強制喚醒并返回)，當(dāng)返回后要判斷是否有就緒事件時，也一樣需要全量的遍歷整個返回的文件描述符集合。
poll偽代碼示例：
/*
// man 2 poll(查看linux系統(tǒng)文檔)
// 和select不同將參數(shù)events和返回值revents分開了
struct pollfd {
int fd; // file descriptor 對應(yīng)的文件描述符
short events; // requested events 需要監(jiān)聽的事件
short revents; // returned events 返回時，就緒的事件
};
// 參數(shù)fds,要監(jiān)聽的poolfd數(shù)組集合
// 參數(shù)nfds，傳入fds數(shù)組中需要監(jiān)聽的元素個數(shù)
// 參數(shù)timeout，阻塞的超時時間(傳入-1代表永久阻塞)
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
//events/revents是位圖表示的
//revents & POLLIN == 1 存在就緒的讀事件
//revents & POLLOUT == 1 存在就緒的寫事件
//revents & POLLHUP == 1 存在對端斷開連接或是通信完成事件
*/
// 創(chuàng)建TCP套接字并綁定端口8888，進行服務(wù)監(jiān)聽
listenfd = serverSocket(8888,"tcp");
MAX_LISTEN_SIZE = 100;
struct pollfd fds[MAX_LISTEN_SIZE];
// 設(shè)置服務(wù)器監(jiān)聽套接字(監(jiān)聽讀事件)
fds[0].fd = listenfd;
fds[0].events = POLLIN;
fds[0].revents = 0;
// 客戶端連接數(shù)一開始為0
int clientCount = 0;
while(true){
// poll同步阻塞調(diào)用(超時時間-1表示永久阻塞直到存在監(jiān)聽的就緒事件)
int ret = poll(fds, clientCount + 1, -1);
for (int i = 0; i < clientCount + 1; i++){
if(fds[i].fd == listenfd && fds[i].revents & POLLIN){
// 服務(wù)器監(jiān)聽套接字讀事件就緒，建立新連接
clientCount++；
fds[clientCount].fd = conn;
fds[clientCount].events = POLLIN | POLLRDHUP ;
fds[clientCount].revents = 0;
}else if(fds[i].revents & POLLIN){
// 其他鏈接可讀,進行讀取
read(fds[i].fd);
... doSomething
}else if(fds[i].revents & POLLRDHUP){
// 監(jiān)聽到客戶端連接斷開，移除該連接
fds[i] = fds[clientCount];
i--;
clientCount--;
// 關(guān)閉該連接
close(fd);
}
}
}
poll的優(yōu)點：
1. poll解決了select系統(tǒng)調(diào)用受限于內(nèi)核配置參數(shù)的限制問題，可以同時監(jiān)聽更多文件描述符的I/O狀態(tài)(但不能超過內(nèi)核限制當(dāng)前進程所能擁有的最大文件描述符數(shù)目限制)。
2. 優(yōu)化了接口設(shè)計，將參數(shù)與返回值的進行了分離。
poll的缺點：
1. poll優(yōu)化了select，但在處理大量閑置連接時，即使真正產(chǎn)生I/O就緒事件的活躍文件描述符數(shù)量很少，依然免不了線性的遍歷整個監(jiān)聽的文件描述符集合。每次調(diào)用時，需要全量的將整個感興趣的文件描述符集合從用戶態(tài)復(fù)制到內(nèi)核態(tài)。
2. 由于select/poll都需要全量的傳遞參數(shù)以及遍歷返回值，因此其時間復(fù)雜度為O(n)，即處理的開銷隨著并發(fā)連接數(shù)n的增加而增加，而無論并發(fā)連接本身活躍與否。但一般情況下即使并發(fā)連接數(shù)很多，大量連接都產(chǎn)生I/O就緒事件的情況并不多，更多的情況是1W的并發(fā)連接，可能只有幾百個是處于活躍狀態(tài)的，這種情況下select/poll的性能并不理想，還存在優(yōu)化的空間。
epoll是linux系統(tǒng)中獨有的，針對select/poll上述缺點進行改進的高性能I/O多路復(fù)用器。
針對poll系統(tǒng)調(diào)用介紹中的第一個缺點：在每次事件循環(huán)時都需要從用戶態(tài)全量傳遞整個需要監(jiān)聽的文件描述符集合。
epoll在內(nèi)核中分配內(nèi)存空間用于緩存被監(jiān)聽的文件描述符集合。通過創(chuàng)建epoll的系統(tǒng)調(diào)用（epoll_create），在內(nèi)核中維護了一個epoll結(jié)構(gòu)，而在應(yīng)用程序中只需要保留epoll結(jié)構(gòu)的句柄就可對其進行訪問(也是一個文件描述符)。可以動態(tài)的在epoll結(jié)構(gòu)的內(nèi)核空間中增加/刪除/更新所要監(jiān)聽的文件描述符以及不同的監(jiān)聽事件（epoll_ctl），而不必每次都全量的傳遞需要監(jiān)聽的文件描述符集合。
針對select/poll的第二個缺點：在系統(tǒng)調(diào)用返回后通過修改所監(jiān)聽文件描述符結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，來標(biāo)識文件描述符對應(yīng)的I/O事件是否就緒。每次系統(tǒng)調(diào)用返回時，都需要全量的遍歷整個監(jiān)聽文件描述符集合，而無論是否真的完成了I/O。
epoll監(jiān)聽事件的系統(tǒng)調(diào)用完成后，只會將真正活躍的、完成了I/O事件的文件描述符返回，避免了全量的遍歷。在并發(fā)的連接數(shù)很大，但閑置連接占比很高時，epoll的性能大大優(yōu)于select/poll這兩種I/O多路復(fù)用器。epoll的時間復(fù)雜度為O(m)，即處理的開銷不隨著并發(fā)連接n的增加而增加，而是僅僅和監(jiān)控的活躍連接m相關(guān)；在某些情況下n遠(yuǎn)大于m，epoll的時間復(fù)雜度甚至可以認(rèn)為近似的達到了O(1)。
通過epoll_wait系統(tǒng)調(diào)用，監(jiān)聽參數(shù)中傳入對應(yīng)epoll結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)的所有文件描述符的對應(yīng)I/O狀態(tài)。epoll_wait本身是同步、阻塞的(可以指定超時時間強制喚醒并返回)，當(dāng)epoll_wait同步返回時，會返回處于活躍狀態(tài)的完成I/O事件的文件描述符集合，避免了select/poll中的無效遍歷。同時epoll使用了mmap機制，將內(nèi)核中的維護的就緒文件描述符集合所在空間映射到了用戶態(tài)，令應(yīng)用程序與epoll的內(nèi)核共享這一區(qū)域的內(nèi)存，避免了epoll返回就緒文件描述符集合時的一次內(nèi)存復(fù)制。
epoll偽代碼示例：
/**
epoll比較復(fù)雜，使用時大致依賴三個系統(tǒng)調(diào)用 (man 7 epoll)
1. epoll_create 創(chuàng)建一個epoll結(jié)構(gòu),返回對應(yīng)epoll的文件描述符 (man 2 epoll_create)
int epoll_create();
2. epoll_ctl 控制某一epoll結(jié)構(gòu)(epfd)，向其增加/刪除/更新(op)某一其它連接(fd)，監(jiān)控其I/O事件(event) (man 2 epoll_ctl)
op有三種合法值：EPOLL_CTL_ADD代表新增、EPOLL_CTL_MOD代表更新、EPOLL_CTL_DEL代表刪除
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
3. epoll_wait 令某一epoll同步阻塞的開始監(jiān)聽(epfd)，感興趣的I/O事件(events),所監(jiān)聽fd的最大個數(shù)(maxevents)，指定阻塞超時時間(timeout) (man 2 epoll_wait)
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);
*/
// 創(chuàng)建TCP套接字并綁定端口8888，進行服務(wù)監(jiān)聽
listenfd = serverSocket(8888,"tcp");
// 創(chuàng)建一個epoll結(jié)構(gòu)
epollfd = epoll_create();
ev = new epoll_event();
ev.events = EPOLLIN; // 讀事件
ev.data.fd = listenfd;
// 通過epoll監(jiān)聽服務(wù)器端口讀事件(新連接建立請求)
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,ev)；
// 最大監(jiān)聽1000個連接
MAX_EVENTS = 1000;
listenEvents = new event[MAX_EVENTS];
while(true){
// 同步阻塞監(jiān)聽事件
// 最多返回MAX_EVENTS個事件響應(yīng)結(jié)果
// (超時時間1000ms，標(biāo)識在超時時間內(nèi)沒有任何事件就緒則當(dāng)前線程被喚醒，返回值nfd將為0)
nfds = epoll_wait(epollfd, listenEvents, MAX_EVENTS, 1 * 1000);
for(n = 0; n < nfds; ++n){
if(events[n].data.fd == listenfd){
// 當(dāng)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器監(jiān)聽套接字存在可讀事件，建立新的套接字連接
clientfd = accept(listenfd);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = clientfd;
// 新建立的套接字連接也加入當(dāng)前epoll的監(jiān)聽(監(jiān)聽讀(EPOLLIN)/寫(EPOLLET)事件)
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd,ev);
} else{
// 否則是其它連接的I/O事件就緒,進行對應(yīng)的操作
... do_something
}
}
}
epoll的優(yōu)點：
epoll是目前性能最好的I/O多路復(fù)用器之一，具有I/O多路復(fù)用優(yōu)點的情況下很好的解決了select/poll的缺陷。目前l(fā)inux平臺中，像nginx、redis、netty等高性能服務(wù)器都是首選epoll作為基礎(chǔ)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)I/O功能的。
epoll的缺點：
1. 常規(guī)情況下閑置連接占比很大，epoll的性能表現(xiàn)的很好。但是也有少部分場景中，絕大多數(shù)連接都是活躍的，那么其性能與select/poll這種基于位圖、數(shù)組等簡單結(jié)構(gòu)的I/O多路復(fù)用器相比，就不那么有優(yōu)勢了。因為select/poll被詬病的一點就是通常情況下進行了無謂的全量檢查，而當(dāng)活躍連接數(shù)占比一直超過90%甚至更高時，就不再是浪費了;相反的，由于epoll內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在這種情況下其性能比select/poll還要低一點。
2. epoll是linux操作系統(tǒng)下獨有的，使得基于epoll實現(xiàn)的應(yīng)用程序的跨平臺兼容性受到了一定影響。
windows和linux都支持了select系統(tǒng)調(diào)用，但linux內(nèi)核在之后又實現(xiàn)了epoll這一更高性能的I/O多路復(fù)用器來改進select。
windows沒有模仿linux，而是提供了被稱為IOCP(Input/Output Completion Port 輸入輸出完成端口)的功能解決select性能的問題。IOCP采用異步非阻塞IO(AIO)的模型，其與epoll同步非阻塞IO的最大區(qū)別在于，epoll調(diào)用完成后，僅僅返回了就緒的文件描述符集合；而IOCP則在內(nèi)核中自動的完成了epoll中原本應(yīng)該由應(yīng)用程序主動發(fā)起的I/O操作。
舉個例子，當(dāng)監(jiān)聽到就緒事件開始讀取某一網(wǎng)絡(luò)連接的請求報文時，epoll依然需要通過程序主動的發(fā)起讀取請求，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核中讀入用戶空間。而windows下的IOCP則是通過注冊回調(diào)事件的方式工作，由內(nèi)核自動的將數(shù)據(jù)放入指定的用戶空間，當(dāng)處理完畢后會調(diào)度激活注冊的回調(diào)事件，被喚醒的線程能直接訪問到所需要的數(shù)據(jù)。
這也是為什么BIO/NIO/IO多路復(fù)用被稱為同步I/O，而IOCP被稱為異步I/O的原因。
同步I/O與異步I/O的主要區(qū)別就在于站在應(yīng)用程序的視角看，真正讀取/寫入數(shù)據(jù)時是否是由應(yīng)用程序主導(dǎo)的。如果需要用戶程序主動發(fā)起最終的I/O請求就被稱為同步I/O；而如果是內(nèi)核自動完成I/O后通知用戶程序，則被稱為異步I/O。(可以類比在前面硬件I/O模型中，站在CPU視角的同步、異步I/O模型，只不過這里CPU變成了應(yīng)用程序，而外設(shè)/DMA變成了操作系統(tǒng)內(nèi)核)
AIO的優(yōu)點：
AIO作為異步I/O，由內(nèi)核自動的完成了底層一整套的I/O操作，應(yīng)用程序在事件回調(diào)通知中能直接獲取到所需數(shù)據(jù)。內(nèi)核中可以實現(xiàn)非常高效的調(diào)度、通知框架。擁有前面NIO高性能的優(yōu)點，又簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)。
AIO的缺點：
由內(nèi)核全盤控制的全自動I/O雖然能夠做到足夠高效，但是在一些特定場景下性能并不一定能超過由應(yīng)用程序主導(dǎo)的，經(jīng)過深度優(yōu)化的代碼。像epoll在支持了和select/poll一樣的水平觸發(fā)I/O的同時，還支持了更加細(xì)致的邊緣觸發(fā)I/O，允許用戶自主的決定當(dāng)I/O就緒時，是否需要立即處理或是緩存起來等待稍后再處理。(就像java等支持自動內(nèi)存垃圾回收的語言，即使其垃圾收集器經(jīng)過持續(xù)的優(yōu)化，在大多數(shù)情況下性能都很不錯，但卻依然無法達到和經(jīng)過開發(fā)人員反復(fù)調(diào)優(yōu)，手動回收內(nèi)存的C、C++等語言實現(xiàn)的程序一樣的性能)
（截圖自《Unix網(wǎng)絡(luò)編程 卷1》）
1. 同步I/O包括了同步阻塞I/O和同步非阻塞I/O，而異步I/O中由于異步阻塞I/O模型沒有太大價值，因此提到異步I/O(AIO)時，默認(rèn)指的就是異步非阻塞I/O。
2. 在I/O多路復(fù)用器的工作中，當(dāng)監(jiān)聽到對應(yīng)文件描述符I/O事件就緒時，后續(xù)進行的讀/寫操作既可以是阻塞的，也可以是非阻塞的。如果是都以阻塞的方式進行讀/寫，雖然實現(xiàn)簡單，但如果某一文件描述符需要讀寫的數(shù)據(jù)量很大時將耗時較多，可能會導(dǎo)致事件循環(huán)中的其它事件得不到及時處理。因此截圖中的阻塞讀寫數(shù)據(jù)部分并不準(zhǔn)確，需要辯證的看待。
計算機技術(shù)的發(fā)展看似日新月異，但本質(zhì)上有兩類目標(biāo)指引著其前進。一是盡可能的增強、壓榨硬件的性能，提高機器效率；二是盡可能的通過持續(xù)的抽象、封裝簡化軟件復(fù)雜度，提高程序員的開發(fā)效率。計算機軟件的發(fā)展方向必須至少需要滿足其中一種目標(biāo)。
從上面關(guān)于操作系統(tǒng)內(nèi)核I/O模型的發(fā)展中可以看到，最初被廣泛使用的是易理解、開發(fā)簡單的BIO模型；但由于互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，web服務(wù)器系統(tǒng)面臨著C10K問題，需要能支持海量的并發(fā)客戶端連接，因此出現(xiàn)了包括NIO、I/O多路復(fù)用、AIO等技術(shù)，利用一個內(nèi)核線程管理成百上千的并發(fā)連接，來解決BIO模型中一個內(nèi)核線程對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)連接的工作模式中，由于處理大量連接導(dǎo)致內(nèi)核線程上下文頻繁切換，造成CPU資源耗盡的問題。上述的第一條原則指引著內(nèi)核I/O模型的發(fā)展，使得web服務(wù)器能夠獲得更大的連接服務(wù)吞吐量，提高了機器效率。
但非阻塞I/O真的是完美無缺的嗎？
有著非阻塞I/O模型開發(fā)經(jīng)驗的程序員都知道，正是由于一個內(nèi)核線程管理著成百上千個客戶端連接，因此在整個線程的執(zhí)行流中不能出現(xiàn)耗時、阻塞的操作(比如同步阻塞的數(shù)據(jù)庫查詢、rpc接口調(diào)用等)。如果這種操作不可避免，則需要單獨使用另外的線程異步的處理，而不能阻塞當(dāng)前的整個事件循環(huán)，否則將會導(dǎo)致其它連接的請求得不到及時的處理，造成饑餓。
對于多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)下處理業(yè)務(wù)邏輯的應(yīng)用程序服務(wù)器來說，在一個網(wǎng)絡(luò)請求服務(wù)中，可能需要頻繁的訪問數(shù)據(jù)庫或者通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)用其它服務(wù)的接口。如果使用的是基于NIO模型進行工作的話，則要求rpc庫以及數(shù)據(jù)庫、中間件等連接的庫是支持異步非阻塞的。如果由于同步阻塞庫的存在，在每次接受連接進行服務(wù)時依然被迫通過另外的線程處理以避免阻塞，則NIO服務(wù)器的性能將退化到和使用傳統(tǒng)的BIO模型一樣的地步。
所幸的是隨著非阻塞I/O的逐漸流行，上述問題得到了很大的改善，越來越的框架/庫都提供了異步非阻塞的api接口。
異步非阻塞庫改變了同步阻塞庫下程序員習(xí)以為常的，線性的思維方式，在編碼時被迫的以事件驅(qū)動的方式思考。邏輯上連貫的業(yè)務(wù)代碼為了適應(yīng)異步非阻塞的庫程序，被迫分隔成多個獨立片段嵌套在各個不同層次的回調(diào)函數(shù)中。對于復(fù)雜的業(yè)務(wù)而言，很容易出現(xiàn)嵌套為一層層的回調(diào)函數(shù)調(diào)用鏈，形成臭名昭著的callback hell(回調(diào)地獄)。
最早被callback hell折磨的可能是客戶端程序的開發(fā)人員，因為客戶端程序需要時刻監(jiān)聽著用戶操作事件的產(chǎn)生，通常以基于事件驅(qū)動的方式組織異步處理代碼。
callback hell偽代碼示例：
// 由于互相之間有前后的數(shù)據(jù)依賴，按照順序異步的調(diào)用A、B、C、D
A.dosomething((res)->{
data = res.xxx;
B.dosomething(data,(res)->{
data = res.xxx;
C.dosomething(data,(res)->{
data = res.xxx
D.dosomething(data,(res)->{
// 。。。 有依賴的同步業(yè)務(wù)越復(fù)雜，層次越深，就像一個無底洞
})
})
})
})
異步非阻塞庫的使用割裂了代碼的連貫結(jié)構(gòu)，使得程序變得難以理解、調(diào)試，這一缺陷在堆積著復(fù)雜晦澀業(yè)務(wù)邏輯的web應(yīng)用程序服務(wù)器程序中顯得難以忍受。這也是為什么如今web服務(wù)器仍然有很大一部分依然使用傳統(tǒng)的同步阻塞的BIO模型進行開發(fā)的主要原因。通過分布式、集群的方式分?jǐn)偞罅坎l(fā)的連接，而只在業(yè)務(wù)相對簡單的API網(wǎng)關(guān)、消息隊列等I/O密集型的中間件程序中NIO才被廣泛使用(實在不行，業(yè)務(wù)服務(wù)器集群可以加機器，保證開發(fā)效率也同樣重要)。
那么就沒有什么辦法既能夠擁有非阻塞I/O支撐海量并發(fā)、高吞吐量的性能優(yōu)勢；又能夠令程序員以同步方式思考、編寫程序，以提高開發(fā)效率嗎？
解決辦法當(dāng)然是存在的，且相關(guān)技術(shù)依然在不斷發(fā)展。上述計算機技術(shù)發(fā)展的第二個原則指導(dǎo)著這些技術(shù)發(fā)展，目的是為了簡化代碼復(fù)雜性，提高程序員的效率。
在函數(shù)式編程的領(lǐng)域，就一直有著諸多晦澀的“黑科技”(CPS變換、monad等)，能夠簡化callback hell，使得可以以幾乎是同步的方式編寫實質(zhì)上是異步執(zhí)行的代碼。例如EcmaScript便在EcmaScript6、EcmaScript7中分別引入了promise和async/await來解決這一問題。
前面提到，傳統(tǒng)的基于BIO模型的工作模式最大的優(yōu)點在于可以同步的編寫代碼，遇到需要等待的耗時操作時能夠被阻塞，使用起來簡單易懂。但由于1：1的維護內(nèi)核線程在處理海量連接時由于頻繁的內(nèi)核線程上下文切換而力不從心，催生了非阻塞I/O。
而由于上述非阻塞I/O引起的代碼復(fù)雜度增加的問題，計算機科學(xué)家們想到了很早之前就在操作系統(tǒng)概念中提出，但一直沒有被廣泛使用的另一種線程實現(xiàn)方式：用戶級線程。
用戶級線程顧名思義，就是在用戶級實現(xiàn)的線程，操作系統(tǒng)內(nèi)核對其是無感知的。用戶級線程在許多方面與大家所熟知的內(nèi)核級線程相似，都有著自己獨立的執(zhí)行流，和進程中的其它線程共享內(nèi)存空間。
用戶級線程與內(nèi)核級線程最大的一個區(qū)別就在于由于操作系統(tǒng)對其無感知，因此無法對用戶級線程進行基于中斷的搶占式調(diào)度。要使得同一進程下的不同用戶級線程能夠協(xié)調(diào)工作，必須小心的編寫執(zhí)行邏輯，以互相之間主動讓渡CPU的形式工作，否則將會導(dǎo)致一個用戶級線程持續(xù)不斷的占用CPU，而令其它用戶級線程處于饑餓狀態(tài)，因此用戶級線程也被稱為協(xié)程，即互相協(xié)作的線程。
用戶級線程無論如何是基于至少一個內(nèi)核線程/進程的，多個用戶級線程可以掛載在一個內(nèi)核線程/進程中被內(nèi)核統(tǒng)一的調(diào)度管理。
協(xié)程可以在遇到I/O等耗時操作時選擇主動的讓出CPU，以實現(xiàn)同步阻塞的效果，令程序執(zhí)行流轉(zhuǎn)移到另一個協(xié)程中。由于多個協(xié)程可以復(fù)用一個內(nèi)核線程，每個協(xié)程所占用的開銷相對內(nèi)核級線程來說非常??；且協(xié)程上下文切換時由于不需要陷入內(nèi)核，其切換效率也遠(yuǎn)比內(nèi)核線程的上下文切換高(開銷近似于一個函數(shù)調(diào)用)。
最近很流行的Go語言就是由于其支持語言層面的協(xié)程而備受推崇。程序員可以利用一些語言層面提供的協(xié)程機制編寫高效的web服務(wù)器程序(例如在語句中添加控制協(xié)程同步的關(guān)鍵字)。通過在編譯后的最終代碼中加入對應(yīng)的協(xié)程調(diào)度指令，由協(xié)程調(diào)度器接手，控制協(xié)程同步時在耗時I/O操作發(fā)生時主動的讓出CPU，并在處理完畢后能被調(diào)度回來接著執(zhí)行。Go語言通過語言層面上對協(xié)程的支持，降低了編寫正確、協(xié)調(diào)工作的協(xié)程代碼的難度。
Go編寫的高性能web服務(wù)器如果運行在多核CPU的linux操作系統(tǒng)中，一般會創(chuàng)建m個內(nèi)核線程和n個協(xié)程(m正比與CPU核心數(shù)，n遠(yuǎn)大于m且正比于并發(fā)連接數(shù))，底層每個內(nèi)核線程依然可以利用epoll IO多路復(fù)用器處理并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接，并將業(yè)務(wù)邏輯處理的任務(wù)轉(zhuǎn)交給用戶態(tài)的協(xié)程(gorountine)。每個協(xié)程可以在不同的內(nèi)核線程(CPU核心)中被來回調(diào)度，以獲得最大的CPU吞吐量。
使用協(xié)程，程序員在開發(fā)時能夠編寫同步阻塞的耗時I/O代碼，又不用擔(dān)心高并發(fā)情況下BIO模型中的性能問題?？梢哉f協(xié)程兼顧了程序開發(fā)效率與機器執(zhí)行效率，因此越來越多的語言也在語言層面或是在函數(shù)庫中提供協(xié)程機制。
在通過虛擬機作為中間媒介，操作系統(tǒng)平臺無關(guān)的語言中(比如java)，虛擬機作為應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的中間層，可以對應(yīng)用程序進行各方面的優(yōu)化，令程序員可以輕松編寫出高效的代碼。
有大牛在知乎的一篇回答中提到過，其曾經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)團隊在阿里巴巴工作時在java中實現(xiàn)了透明的協(xié)程。但似乎沒有和官方標(biāo)準(zhǔn)達成統(tǒng)一因此并沒有對外開放。
如果能夠在虛擬機中提供高效、用戶透明的協(xié)程機制，使得原本基于BIO多線程的服務(wù)器程序無需改造便自動的獲得了支持海量并發(fā)的能力，那真是太強了Orz。
感謝各位的閱讀，以上就是“I/O模型的相關(guān)問題有哪些”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對I/O模型的相關(guān)問題有哪些這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識點的文章，歡迎關(guān)注！
