【轉】IO模型及select、poll、epoll和kqueue的區別

http://www.cnblogs.com/linganxiong/p/5583415.html

（一）首先，介紹幾種常見的I/O模型及其區別，如下：

• blocking I/O

• nonblocking I/O

• I/O multiplexing (select and poll)

• signal driven I/O (SIGIO)

• asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)—————異步IO模型最大的特點是 完成後發回通知。

  阻塞與否，取決於實現IO交換的方式。

       異步阻塞是基於select，select函數本身的實現方式是阻塞的，而採用select函數有個好處就是它可以同時監聽多個文件句柄.

       異步非阻塞直接在完成後通知，用戶進程只需要發起一個IO操作然後立即返回，等IO操作真正的完成以後，應用程序會得到IO操作完成的通知，此時用戶進程只需要對數據進行處理就好了，不需要進行實際的IO讀寫操作，因爲真正的IO讀取或者寫入操作已經由內核完成了。

 

 

1 blocking I/O 

這個不用多解釋吧，阻塞套接字。下圖是它調用過程的圖示：

 

重點解釋下上圖，下面例子都會講到。首先application調用 recvfrom()轉入kernel，注意kernel有2個過程，wait for data和copy data from kernel to user。直到最後copy complete後，recvfrom()才返回。此過程一直是阻塞的。

 

2 nonblocking I/O： 

與blocking I/O對立的，非阻塞套接字，調用過程圖如下：

 

可以看見，如果直接操作它，那就是個輪詢。。直到內核緩衝區有數據。

 

3 I/O multiplexing (select and poll) 

最常見的I/O複用模型，select。

 

select先阻塞，有活動套接字才返回。與blocking I/O相比，select會有兩次系統調用，但是select能處理多個套接字。

 

4 signal driven I/O (SIGIO) 

只有UNIX系統支持，感興趣的課查閱相關資料

 

與I/O multiplexing (select and poll)相比，它的優勢是，免去了select的阻塞與輪詢，當有活躍套接字時，由註冊的handler處理。

 

5 asynchronous I/O (the POSIX aio_functions) 

很少有*nix系統支持，windows的IOCP則是此模型

 

完全異步的I/O複用機制，因爲縱觀上面其它四種模型，至少都會在由kernel copy data to appliction時阻塞。而該模型是當copy完成後才通知application，可見是純異步的。好像只有windows的完成端口是這個模型，效率也很出色。

6 下面是以上五種模型的比較

可以看出，越往後，阻塞越少，理論上效率也是最優。

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5種模型的比較比較清晰了，剩下的就是把select,epoll,iocp,kqueue按號入座那就OK了。

select和iocp分別對應第3種與第5種模型，那麼epoll與kqueue呢？其實也於select屬於同一種模型，只是更高級一些，可以看作有了第4種模型的某些特性，如callback機制。

爲什麼epoll,kqueue比select高級？ 

答案是，他們無輪詢。因爲他們用callback取代了。想想看，當套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度,不管哪個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。

windows or *nix （IOCP or kqueue/epoll）？

 

誠然，Windows的IOCP非常出色，目前很少有支持asynchronous I/O的系統，但是由於其系統本身的侷限性，大型服務器還是在UNIX下。而且正如上面所述，kqueue/epoll 與 IOCP相比，就是多了一層從內核copy數據到應用層的阻塞，從而不能算作asynchronous I/O類。但是，這層小小的阻塞無足輕重，kqueue與epoll已經做得很優秀了。

提供一致的接口，IO Design Patterns

實際上，不管是哪種模型，都可以抽象一層出來，提供一致的接口，廣爲人知的有ACE,Libevent（基於reactor模式）這些，他們都是跨平臺的，而且他們自動選擇最優的I/O複用機制，用戶只需調用接口即可。說到這裏又得說說2個設計模式，Reactor and Proactor。見：Reactor模式--VS--Proactor模式。Libevent是Reactor模型，ACE提供Proactor模型。實際都是對各種I/O複用機制的封裝。

Java nio包是什麼I/O機制？

 現在可以確定，目前的java本質是select()模型，可以檢查/jre/bin/nio.dll得知。至於java服務器爲什麼效率還不錯。。我也不得而知，可能是設計得比較好吧。。-_-。

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總結一些重點：

1. 只有IOCP是asynchronous I/O，其他機制或多或少都會有一點阻塞。
2. select低效是因爲每次它都需要輪詢。但低效也是相對的，視情況而定，也可通過良好的設計改善
3. epoll, kqueue、select是Reacor模式，IOCP是Proactor模式。
4. java nio包是select模型。。

（二）epoll 與select的區別

 

1. 使用多進程或者多線程，但是這種方法會造成程序的複雜，而且對與進程與線程的創建維護也需要很多的開銷。（Apache服務器是用的子進程的方式，優點可以隔離用戶）  （同步阻塞IO）

 

2.一種較好的方式爲I/O多路轉接（I/O multiplexing）（貌似也翻譯多路複用），先構造一張有關描述符的列表（epoll中爲隊列），然後調用一個函數，直到這些描述符中的一個準備好時才返回，返回時告訴進程哪些I/O就緒。select和epoll這兩個機制都是多路I/O機制的解決方案，select爲POSIX標準中的，而epoll爲Linux所特有的。

 

區別（epoll相對select優點）主要有三：

1.select的句柄數目受限，在linux/posix_types.h頭文件有這樣的聲明：#define __FD_SETSIZE    1024  表示select最多同時監聽1024個fd。而epoll沒有，它的限制是最大的打開文件句柄數目。

 

2.epoll的最大好處是不會隨着FD的數目增長而降低效率，在selec中採用輪詢處理，其中的數據結構類似一個數組的數據結構，而epoll是維護一個隊列，直接看隊列是不是空就可以了。epoll只會對"活躍"的socket進行操作---這是因爲在內核實現中epoll是根據每個fd上面的callback函數實現的。那麼，只有"活躍"的socket纔會主動的去調用 callback函數（把這個句柄加入隊列），其他idle狀態句柄則不會，在這點上，epoll實現了一個"僞"AIO。但是如果絕大部分的I/O都是“活躍的”，每個I/O端口使用率很高的話，epoll效率不一定比select高（可能是要維護隊列複雜）。

 

3.使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞。無論是select,poll還是epoll都需要內核把FD消息通知給用戶空間，如何避免不必要的內存拷貝就很重要，在這點上，epoll是通過內核於用戶空間mmap同一塊內存實現的。

 

關於epoll工作模式ET，LT    

 

epoll有兩種工作方式

ET：Edge Triggered，邊緣觸發。僅當狀態發生變化時纔會通知，epoll_wait返回。換句話，就是對於一個事件，只通知一次。且只支持非阻塞的socket。

LT：Level Triggered，電平觸發（默認工作方式）。類似select/poll,只要還有沒有處理的事件就會一直通知，以LT方式調用epoll接口的時候，它就相當於一個速度比較快的poll.支持阻塞和不阻塞的socket。

 

三 Linux併發網絡編程模型

 

    1  Apache 模型，簡稱 PPC （ Process Per Connection ，）:爲每個連接分配一個進程。主機分配給每個連接的時間和空間上代價較大，並且隨着連接的增多，大量進程間切換開銷也增長了。很難應對大量的客戶併發連接。

    2  TPC 模型（ Thread Per Connection ）：每個連接一個線程。和PCC類似。

    3  select 模型：I/O多路複用技術。

       .1 每個連接對應一個描述。select模型受限於 FD_SETSIZE即進程最大打開的描述符數linux2.6.35爲1024,實際上linux每個進程所能打開描數字的個數僅受限於內存大小，然而在設計select的系統調用時，卻是參考FD_SETSIZE的值。可通過重新編譯內核更改此值，但不能根治此問題，對於百萬級的用戶連接請求  即便增加相應 進程數， 仍顯得杯水車薪呀。

      .2select每次都會掃描一個文件描述符的集合，這個集合的大小是作爲select第一個參數傳入的值。但是每個進程所能打開文件描述符若是增加了 ，掃描的效率也將減小。

      .3內核到用戶空間，採用內存複製傳遞文件描述上發生的信息。 

  4 poll 模型：I/O多路複用技術。poll模型將不會受限於FD_SETSIZE，因爲內核所掃描的文件 描述符集合的大小是由用戶指定的，即poll的第二個參數。但仍有掃描效率和內存拷貝問題。

 5 pselect模型：I/O多路複用技術。同select。

 6 epoll模型：

    .1)無文件描述字大小限制僅與內存大小相關

   .2)epoll返回時已經明確的知道哪個socket fd發生了什麼事件，不用像select那樣再一個個比對。

  .3)內核到用戶空間採用共享內存方式，傳遞消息。

四 ：FAQ  

1、單個epoll並不能解決所有問題，特別是你的每個操作都比較費時的時候，因爲epoll是串行處理的。 所以你有還是必要建立線程池來發揮更大的效能。 

2、如果fd被註冊到兩個epoll中時，如果有時間發生則兩個epoll都會觸發事件。

3、如果註冊到epoll中的fd被關閉，則其會自動被清除出epoll監聽列表。
4、如果多個事件同時觸發epoll，則多個事件會被聯合在一起返回。
5、epoll_wait會一直監聽epollhup事件發生，所以其不需要添加到events中。
6、爲了避免大數據量io時，et模式下只處理一個fd,其他fd被餓死的情況發生。linux建議可以在fd聯繫到的結構中增加ready位，然後epoll_wait觸發事件之後僅將其置位爲ready模式，然後在下邊輪詢ready fd列表。

 

 

參考：

http://blog.csdn.net/ysu108/article/details/7570571

http://techbbs.zol.com.cn/1/8_2245.html