IO模型(select, poll, epoll的区别和原理)

参考《unix网络编程》

参考http://blog.csdn.net/blueboy2000/article/details/4485874

参考http://blog.csdn.net/suxinpingtao51/article/details/46314097

五种I/O模型

阻塞I/O：应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直等待下去
非阻塞I/O：
I/O复用（select和poll）
信号驱动I/O（SIGIO）
异步I/O（Posix.1的aio_系列函数）

一个输入操作通常包括两个阶段：

1.等待数据准备好

2.从内核向进程复制数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达，当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是将数据从内核缓冲区复制到应用进程的缓冲区

阻塞I/O：应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直等待下去

非阻塞I/O模型
我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

当一个应用程序像这样对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮循(polling)

总结：阻塞I/O模式下，虽然不会占用大量的CPU时间，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

[cpp] view plain copy

<span style="font-family:Microsoft YaHei;font-size:14px;">while true {
for i in stream[]; {
if i has data
read until unavailable
}
}</span>

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。

为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把“忙”字去掉了）

[cpp] view plain copy

<span style="font-family:Microsoft YaHei;font-size:14px;">while true {
select(streams[])
for i in streams[] {
if i has data
read until unavailable
}
}</span>

于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。即使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，没一次无差别轮询时间就越长。

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）

I/O复用模型
I/O复用模型会用到select或者poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

我们阻塞于select调用，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，我们调用recefrom把所有读数据报复制到应用进程缓冲区。

信号驱动I/O模型
我们也可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们。通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。该系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说它没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后既可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理。

优势：等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。

异步I/O模型

告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作(包括将内核复制到我们自己的缓冲区)完成后通知我们。

与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步模型是由内核通知我们I/O操作何时完成。

调用aio_read函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

各种I/O模型的对比：

同步I/O和异步I/O对比：同步I/O操作导致请求阻塞（前4种模型是是同步I/O模型），直到I/O操作完成；异步I/O操作不导致请求进程阻塞。

http://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html

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