浅谈常见的IO模型

前言

原文链接: https://codeyee.com//archives/io-model.html

一个输入操作通常包括两个阶段:

  • 等待数据准备好
  • 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。当所等待数据到达时,它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 有五种 I/O 模型:

  • 阻塞式 I/O
  • 非阻塞式 I/O
  • I/O 复用(select 和 poll)
  • 信号驱动式 I/O(SIGIO)
  • 异步 I/O(AIO)

目录

0x01:阻塞式I/0

应用进程被阻塞,直到数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中才返回。

应该注意到,在阻塞的过程中,其它应用进程还可以执行,因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其它应用进程还可以执行,所以不消耗 CPU 时间,所以这种模型的 CPU 利用率会比较高。

下图中,recvfrom() 用于接收 Socket 传来的数据,并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

0x02:非阻塞式的I/O

应用进程执行系统调用之后,内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行,但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成,这种方式称为轮训(polling)。

由于 CPU 要处理更多的系统调用,因此这种模型的 CPU 利用率比较低。

0x03:I/0复用

使用 select 或者 poll 等待数据,并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读。这一过程会被阻塞,当某一个套接字可读时返回,之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O,即事件驱动 I/O

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用,那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接,那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术,I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销,系统开销更小。

如下图所示

0x04:信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用,内核立即返回,应用进程可以继续执行,也就是说等待数据阶段应用进程是"非阻塞"的。

内核在数据到达时向"应用进程"发送 SIGIO 信号,应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式,信号驱动 I/OCPU 利用率更高。

如下图所示

0x05:异步I/O

应用进程执行 aio_read 系统调用会立即返回,应用进程可以继续执行,此时进程不会被阻塞,内核会在"所有操作完成之后"向应用进程发送信号。

"异步 I/O " 与 "信号驱动 I/O "的区别在于,异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 已经完成,可以开始获取数据,而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程现在可以开始 I/O 了。

如下图所示

0x06:五大 I/O 模型比较

  • 同步 I/O:将数据从"内核缓冲区"复制到"应用进程缓冲区"的阶段(第二阶段),应用进程会阻塞。
  • 异步 I/O:上述的第二阶段应用进程不会阻塞。

同步 I/O 包括

  • 阻塞式 I/O
  • 非阻塞式 I/O
  • I/O 复用
  • 信号驱动 I/O

它们的主要区别在第一个阶段(将数据准备好)

非阻塞式 I/O 、信号驱动 I/O 和异步 I/O 在第一阶段不会阻塞。

0xFF:再谈 I/0 复用

select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现,select 出现的最早,之后是 poll,再是 epoll

select

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select 允许应用程序监视一组 文件描述符,等待一个或者多个描述符成为就绪状态,从而完成 I/O 操作。

  • fd_set 使用数组实现,数组大小使用 FD_SETSIZE 定义,所以只能监听少于 FD_SETSIZE 数量的描述符。有三种类型的描述符类型:readset、writeset、exceptset,分别对应读、写、异常条件的描述符集合。
  • timeout 为超时参数,调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout
  • 成功调用返回结果大于 0,出错返回结果为 -1,超时返回结果为 0。

如下代码

以C代码进行举例

fd_set fd_in, fd_out;
struct timeval tv;

// Reset the sets
FD_ZERO( &fd_in );
FD_ZERO( &fd_out );

// Monitor sock1 for input events
FD_SET( sock1, &fd_in );

// Monitor sock2 for output events
FD_SET( sock2, &fd_out );

// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;

// Wait up to 10 seconds
tv.tv_sec = 10;
tv.tv_usec = 0;

// Call the select
int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );

// Check if select actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
        // input event on sock1

    if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
        // output event on sock2
}

poll

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

poll 的功能与 select 类似,也是等待一组描述符中的一个成为就绪状态。

poll 中的描述符是 pollfd 类型的数组,pollfd 的定义如下:

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor */
    short events;     /* requested events */
    short revents;    /* returned events */
};
// The structure for two events
struct pollfd fds[2];

// Monitor sock1 for input
fds[0].fd = sock1;
fds[0].events = POLLIN;

// Monitor sock2 for output
fds[1].fd = sock2;
fds[1].events = POLLOUT;

// Wait 10 seconds
int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
// Check if poll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
    if ( fds[0].revents & POLLIN )
        fds[0].revents = 0;
        // input event on sock1

    if ( fds[1].revents & POLLOUT )
        fds[1].revents = 0;
        // output event on sock2
}

比较

1、功能

select 和 poll 的功能基本相同,不过在一些实现细节上有所不同。

  • select 会修改描述符,而 poll 不会;
  • select 的描述符类型使用数组实现,FD_SETSIZE 大小默认为 1024,因此默认只能监听少于 1024 个描述符。如果要监听更多描述符的话,需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译;而 poll 没有描述符数量的限制;
  • poll 提供了更多的事件类型,并且对描述符的重复利用上比 select 高。
  • 如果一个线程对某个描述符调用了 select 或者 poll,另一个线程关闭了该描述符,会导致调用结果不确定。

2、速度

selectpoll 速度都比较慢,每次调用都需要将 全部描述符 从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。

3、可移植性

几乎所有的系统都支持 select,但是只有比较新的系统支持 poll

epoll

我们先来看一组代码

代码以C来实现

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上,通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理,进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。

从上面的描述可以看出,epoll 只需要将描述符从"进程缓冲区"向"内核缓冲区"拷贝一次,并且进程不需要通过"轮询"来获得事件完成的描述符。

  • epoll 仅适用于 Linux OS
  • epoll 比 selectpoll 更加灵活,而且没有描述符数量限制。
  • epoll 对多线程编程更有友好,一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 selectpoll 的不确定情况。

如下代码所示

// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets.
// The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here
int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE );

if ( pollingfd < 0 )
 // report error

// Initialize the epoll structure in case more members are added in future
struct epoll_event ev = { 0 };

// Associate the connection class instance with the event. You can associate anything
// you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1
ev.data.ptr = pConnection1;

// Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event
ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
// Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is
// waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added
if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 )
    // report error

// Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen)
struct epoll_event pevents[ 20 ];

// Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array
int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 );
// Check if epoll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // Check if any events detected
    for ( int i = 0; i < ret; i++ )
    {
        if ( pevents[i].events & EPOLLIN )
        {
            // Get back our connection pointer
            Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr;
            c->handleReadEvent();
         }
    }
}

工作模式

1、LT模式

epoll_wait() 检测到描述符事件到达时,将此事件通知进程,进程可以不立即处理该事件,下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式,并且同时支持 Blocking(阻塞) 和 No-Blocking(非阻塞)。

2、ET模式

LT 模式不同的是,通知之后进程必须立即处理事件,下次再调用epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。

很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

应用场景

1、select 应用场景

select 的 timeout 参数精度为微秒,而 poll 和 epoll 为毫秒,因此 select 更加适用于实时性要求比较高的场景,比如核反应堆的控制。

select 可移植性更好,几乎被所有主流平台所支持。

2、poll 应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制,如果平台支持并且对实时性要求不高,应该使用 poll 而不是 select

3、epoll 应用场景

只需要运行在 Linux 平台上,有大量的描述符需要同时轮询,并且这些连接最好是长连接。

需要同时监控小于 1000 个描述符,就没有必要使用 epoll,因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。

需要监控的描述符状态变化多,而且都是非常短暂的,也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中,造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用,频繁系统调用降低效率。并且 epoll 的描述符存储在内核,不容易调试。

END:参考资料

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