多路复用的三种方式特点编程高手不得不知的多路复用IO

八月六号 2023-04-15 02:46:52

多路复用I/O概述

我们已经知道，Unix-like系统中一共有5种I/O模型：

阻塞I/O（Blocking I/O）；
非阻塞I/O（Non-blocking I/O）；
I/O多路复用（I/O Multiplexing）；
信号驱动I/O（Signal-driven I/O）；
异步I/O（Asynchronous I/O）。

本文只讲I/O多路复用，不会展开说其他每种I/O模型的细节。看官如果想全面了解，可以参考W. Richard Stevens等人所著的《UNIX网络编程卷1：套接字联网API（第3版）》。

我们先对I/O多路复用下一个自己的定义：

所谓I/O多路复用，就是指单个线程可以感知到多个I/O流的状态。当I/O流就绪时，触发执行相应的操作。

也就是说，“多路”的是I/O流，“复用”的是线程。由于在Linux系统中一切皆文件，因此“I/O流”这个词就能理解为文件描述符（file descriptor, fd），它可以代表真正的文件，也可以代表磁盘、设备、Socket等等。I/O多路复用的根本目的，是使得应用能够处理更多的并发，提高服务器的吞吐量。根据应用场景的不同，I/O多路复用有时也被称作事件驱动模型（Event-driven model），比如Redis里基于I/O多路复用自行实现的事件驱动库ae。

下图是《Unix网络编程》书中给出的I/O多路复用流程图，以select()和UDP的recvfrom()系统调用为例。

在该示例中，客户端程序会首先调用I/O多路复用的系统调用select()，如果所有Socket里都没有数据报，该调用就会阻塞。一旦某个Socket有数据报准备好，select()就会返回可读，然后就调用recvfrom()将数据报中的数据从内核空间复制到用户空间。

下图示出5种I/O模型的对比。I/O多路复用本质上仍然是一种同步操作，但是与阻塞I/O相比，效率更高，不必一直“干等着”。而与非阻塞I/O相比，CPU也不必持续地检查流是否就绪，节省了很多CPU时间。

I/O多路复用的实现
在Linux系统中，存在有3种典型的I/O多路复用实现，即select、poll和epoll，它们的出现是有先后的。下面分别来看个大概，之后有时间的话，再根据内核源码来分析它们。

select

select方式早在上世纪80年代就已经出现了，在上一节图中出现过的select()系统调用的签名如下所示。

int select( int nfds, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict errorfds, struct timeval *restrict timeout);

其中，readfds、writefds、errorfds是三个fd_set，即文件描述符的集合，分别代表读取、写入和异常的I/O流集合。nfds则表示检查[0, nfds - 1]这个范围内的fd，所以其值不应该是df的总个数，而是最大的fd值 1。timeout表示阻塞超时，为0代表立即返回，为NULL则代表一直阻塞直到有fd就绪。

select()系统调用的大致执行流程是：
将各个fd_set从用户空间复制到内核空间；
遍历[0, nfds - 1]范围内的每个fd，调用fd的poll()函数，检查其对应设备中是否有可用的流；
如果有流就绪，根据类型，将其加入对应的fd_set。否则就按照timeout设定阻塞当前线程，直到有流就绪或等待超时；
select()调用返回可用的fd个数，并将各个fd_set从内核空间复制回用户空间。

select方式的实现比较简单，并且跨平台性非常好。当然其缺点也比较明显：
fd的最大值太小，一般为1024，由FD_SETSIZE宏来指定。
每次调用都需要线性轮询每个描述符，高并发情况下开销比较大。
fd_set从用户空间到内核空间来回复制，没有必要。

poll

poll()系统调用的签名如下所示。

int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);

实际上，poll方式与select方式的实现几乎是相同的，不过它用pollfd结构替代了上面的fd_set结构而已。另外，它改用链表实现fd的存储，因此消除了select方式中fd的最大值限制，但其他方面没有明显的改善。

epoll

epoll直到Linux 2.6版本的内核才出现，它是对select/poll真正意义上的改进。它提供了3个系统调用。

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_create()函数的作用是创建一个epoll句柄（可以理解为一个epoll专用的fd），size参数指定需要检查多少个fd。

epoll_ctl()函数则是向句柄epfd注册、删除或修改需要监听的fd及事件event。epoll用epoll_event结构来描述事件类型与数据，在内核缓存中用红黑树保存，epfd作为根。另外，还会给中断处理程序注册一个回调，使得内核在句柄的中断到来时，标记fd为就绪。

epoll_wait()函数等待注册在句柄epfd上的事件发生，发生之后，就将事件和已就绪的fd放入event数组中，或者阻塞直到timeout超时。epoll使用链表来维护已经就绪的事件和fd，因此链表中有无数据就可以代表有无事件发生。

epoll相对于select的优点如下：
没有fd数的限制；
不采用轮询的方式检测fd是否可用，而是在事件触发后采用类似callback的机制通知，由O(n)变为O(1)；
利用mmap（在关于零拷贝的文章中讲过）映射内存空间，减少复制和修改的开销。

epoll的事件有两种触发方式，即水平触发（Level triggering, LT）和边缘触发（Edge triggering, ET）。这是源自电子学的术语，下面两个图分别示出高电位触发和上升沿触发。写到这里，还是要感谢一下我邮啊。

epoll中的水平触发是默认工作方式。当内核通知一个fd已经就绪时，程序就可以进行I/O操作了。但是如果本次不处理该fd，当下一次调用epoll_wait()时，内核仍然会再次通知，直到该fd被处理为止。水平触发也是select和poll采用的工作方式。

边缘触发则是epoll特有的工作方式，当fd在事件的发生的当时从未就绪变为已就绪的状态，内核会通知该fd的状态变化，并假定程序已经感知到了这种变化。如果未处理该fd，在下一次调用epoll_wait()时，内核也不会再通知了。

由此可见，水平触发与边缘触发各有各的好处。水平触发能够保证数据的完整性，但是仍然存在内核空间到用户空间的拷贝。边缘触发由于只需通知一次，大大减少了内核的资源占用，但同时也不再保证数据完整，需要程序做额外的处理。

作者：LittleMagic

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来源：简书
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