IO模型及select，poll，epoll和kqueue的区别

（一）首先，介绍几种常见的I/O模型及其区别，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)—————异步IO模型最大的特点是 完成后发回通知。

阻塞与否，取决于实现IO交换的方式。

异步阻塞是基于select，select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄

异步非阻塞直接在完成后通知，用户进程只需要发起一个IO *** 作然后立即返回，等IO *** 作真正的完成以后，应用程序会得到IO *** 作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写 *** 作，因为真正的IO读取或者写入 *** 作已经由内核完成了。

1 blocking I/O

这个不用多解释吧，阻塞套接字。下图是它调用过程的图示：

重点解释下上图，下面例子都会讲到。首先application调用 recvfrom()转入kernel，注意kernel有2个过程，wait for data和copy data from kernel to user。直到最后copy complete后，recvfrom()才返回。此过程一直是阻塞的。

2 nonblocking I/O：

与blocking I/O对立的，非阻塞套接字，调用过程图如下：

可以看见，如果直接 *** 作它，那就是个轮询。。直到内核缓冲区有数据。

3 I/O multiplexing (select and poll)

最常见的I/O复用模型，select。

select先阻塞，有活动套接字才返回。与blocking I/O相比，select会有两次系统调用，但是select能处理多个套接字。

4 signal driven I/O (SIGIO)

只有UNIX系统支持，感兴趣的课查阅相关资料

与I/O multiplexing (select and poll)相比，它的优势是，免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理。

5 asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)

很少有nix系统支持，windows的IOCP则是此模型

完全异步的I/O复用机制，因为纵观上面其它四种模型，至少都会在由kernel copy data to appliction时阻塞。而该模型是当copy完成后才通知application，可见是纯异步的。好像只有windows的完成端口是这个模型，效率也很出色。

6 下面是以上五种模型的比较

可以看出，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。

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5种模型的比较比较清晰了，剩下的就是把select,epoll,iocp,kqueue按号入座那就OK了。

select和iocp分别对应第3种与第5种模型，那么epoll与kqueue呢？其实也于select属于同一种模型，只是更高级一些，可以看作有了第4种模型的某些特性，如callback机制。

为什么epoll,kqueue比select高级？

答案是，他们无轮询。因为他们用callback取代了。想想看，当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关 *** 作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

windows or nix （IOCP or kqueue/epoll）？

诚然，Windows的IOCP非常出色，目前很少有支持asynchronous I/O的系统，但是由于其系统本身的局限性，大型服务器还是在UNIX下。而且正如上面所述，kqueue/epoll 与 IOCP相比，就是多了一层从内核copy数据到应用层的阻塞，从而不能算作asynchronous I/O类。但是，这层小小的阻塞无足轻重，kqueue与epoll已经做得很优秀了。

提供一致的接口，IO Design Patterns

实际上，不管是哪种模型，都可以抽象一层出来，提供一致的接口，广为人知的有ACE,Libevent（基于reactor模式）这些，他们都是跨平台的，而且他们自动选择最优的I/O复用机制，用户只需调用接口即可。说到这里又得说说2个设计模式，Reactor and Proactor。见：Reactor模式--VS--Proactor模式。Libevent是Reactor模型，ACE提供Proactor模型。实际都是对各种I/O复用机制的封装。

Java nio包是什么I/O机制？

现在可以确定，目前的java本质是select()模型，可以检查/jre/bin/niodll得知。至于java服务器为什么效率还不错。。我也不得而知，可能是设计得比较好吧。。-_-。

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总结一些重点：

只有IOCP是asynchronous I/O，其他机制或多或少都会有一点阻塞。

select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善

epoll, kqueue、select是Reacor模式，IOCP是Proactor模式。

java nio包是select模型。。

（二）epoll 与select的区别

1 使用多进程或者多线程，但是这种方法会造成程序的复杂，而且对与进程与线程的创建维护也需要很多的开销。（Apache服务器是用的子进程的方式，优点可以隔离用户） （同步阻塞IO）

2一种较好的方式为I/O多路转接（I/O multiplexing）（貌似也翻译多路复用），先构造一张有关描述符的列表（epoll中为队列），然后调用一个函数，直到这些描述符中的一个准备好时才返回，返回时告诉进程哪些I/O就绪。select和epoll这两个机制都是多路I/O机制的解决方案，select为POSIX标准中的，而epoll为Linux所特有的。

区别（epoll相对select优点）主要有三：

1select的句柄数目受限，在linux/posix_typesh头文件有这样的声明：#define __FD_SETSIZE 1024 表示select最多同时监听1024个fd。而epoll没有，它的限制是最大的打开文件句柄数目。

2epoll的最大好处是不会随着FD的数目增长而降低效率，在selec中采用轮询处理，其中的数据结构类似一个数组的数据结构，而epoll是维护一个队列，直接看队列是不是空就可以了。epoll只会对"活跃"的socket进行 *** 作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数（把这个句柄加入队列），其他idle状态句柄则不会，在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO。但是如果绝大部分的I/O都是“活跃的”，每个I/O端口使用率很高的话，epoll效率不一定比select高（可能是要维护队列复杂）。

3使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。

关于epoll工作模式ET，LT

epoll有两种工作方式

ET：Edge Triggered，边缘触发。仅当状态发生变化时才会通知，epoll_wait返回。换句话，就是对于一个事件，只通知一次。且只支持非阻塞的socket。

LT：Level Triggered，电平触发（默认工作方式）。类似select/poll,只要还有没有处理的事件就会一直通知，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll支持阻塞和不阻塞的socket。

三 Linux并发网络编程模型

1 Apache 模型，简称 PPC （ Process Per Connection ，）:为每个连接分配一个进程。主机分配给每个连接的时间和空间上代价较大，并且随着连接的增多，大量进程间切换开销也增长了。很难应对大量的客户并发连接。

2 TPC 模型（ Thread Per Connection ）：每个连接一个线程。和PCC类似。

3 select 模型：I/O多路复用技术。

1 每个连接对应一个描述。select模型受限于 FD_SETSIZE即进程最大打开的描述符数linux2635为1024,实际上linux每个进程所能打开描数字的个数仅受限于内存大小，然而在设计select的系统调用时，却是参考FD_SETSIZE的值。可通过重新编译内核更改此值，但不能根治此问题，对于百万级的用户连接请求 即便增加相应 进程数， 仍显得杯水车薪呀。

2select每次都会扫描一个文件描述符的集合，这个集合的大小是作为select第一个参数传入的值。但是每个进程所能打开文件描述符若是增加了 ，扫描的效率也将减小。

3内核到用户空间，采用内存复制传递文件描述上发生的信息。

4 poll 模型：I/O多路复用技术。poll模型将不会受限于FD_SETSIZE，因为内核所扫描的文件 描述符集合的大小是由用户指定的，即poll的第二个参数。但仍有扫描效率和内存拷贝问题。

5 pselect模型：I/O多路复用技术。同select。

6 epoll模型：

1)无文件描述字大小限制仅与内存大小相关

2)epoll返回时已经明确的知道哪个socket fd发生了什么事件，不用像select那样再一个个比对。

3)内核到用户空间采用共享内存方式，传递消息。

四 ：FAQ

1、单个epoll并不能解决所有问题，特别是你的每个 *** 作都比较费时的时候，因为epoll是串行处理的。 所以你有还是必要建立线程池来发挥更大的效能。

2、如果fd被注册到两个epoll中时，如果有时间发生则两个epoll都会触发事件。

3、如果注册到epoll中的fd被关闭，则其会自动被清除出epoll监听列表。

4、如果多个事件同时触发epoll，则多个事件会被联合在一起返回。

5、epoll_wait会一直监听epollhup事件发生，所以其不需要添加到events中。

6、为了避免大数据量io时，et模式下只处理一个fd,其他fd被饿死的情况发生。linux建议可以在fd联系到的结构中增加ready位，然后epoll_wait触发事件之后仅将其置位为ready模式，然后在下边轮询ready fd列表。

随着26内核对epoll的完全支持，网络上很多的文章和示例代码都提供了这样一个信息：使用epoll代替传统的poll能给网络服务应用带来性能上的提升。但大多文章里关于性能提升的原因解释的较少，这里我将试分析一下内核（26211）代码中poll与epoll的工作原理，然后再通过一些测试数据来对比具体效果。

POLL：

先说poll，poll或select为大部分Unix/Linux程序员所熟悉，这俩个东西原理类似，性能上也不存在明显差异，但select对所监控的文件描述符数量有限制，所以这里选用poll做说明。

poll是一个系统调用，其内核入口函数为sys_poll，sys_poll几乎不做任何处理直接调用do_sys_poll，do_sys_poll的执行过程可以分为三个部分：

1，将用户传入的pollfd数组拷贝到内核空间，因为拷贝 *** 作和数组长度相关，时间上这是一个O（n） *** 作，这一步的代码在do_sys_poll中包括从函数开始到调用do_poll前的部分。

2，查询每个文件描述符对应设备的状态，如果该设备尚未就绪，则在该设备的等待队列中加入一项并继续查询下一设备的状态。查询完所有设备后如果没有一个设备就绪，这时则需要挂起当前进程等待，直到设备就绪或者超时，挂起 *** 作是通过调用schedule_timeout执行的。设备就绪后进程被通知继续运行，这时再次遍历所有设备，以查找就绪设备。这一步因为两次遍历所有设备，时间复杂度也是O（n），这里面不包括等待时间。相关代码在do_poll函数中。

3，将获得的数据传送到用户空间并执行释放内存和剥离等待队列等善后工作，向用户空间拷贝数据与剥离等待队列等 *** 作的的时间复杂度同样是O（n），具体代码包括do_sys_poll函数中调用do_poll后到结束的部分。

EPOLL：

接下来分析epoll，与poll/select不同，epoll不再是一个单独的系统调用，而是由epoll_create/epoll_ctl/epoll_wait三个系统调用组成，后面将会看到这样做的好处。

先来看sys_epoll_create(epoll_create对应的内核函数），这个函数主要是做一些准备工作，比如创建数据结构，初始化数据并最终返回一个文件描述符（表示新创建的虚拟epoll文件），这个 *** 作可以认为是一个固定时间的 *** 作。

epoll是做为一个虚拟文件系统来实现的，这样做至少有以下两个好处：

1，可以在内核里维护一些信息，这些信息在多次epoll_wait间是保持的，比如所有受监控的文件描述符。

2， epoll本身也可以被poll/epoll;

具体epoll的虚拟文件系统的实现和性能分析无关，不再赘述。

在sys_epoll_create中还能看到一个细节，就是epoll_create的参数size在现阶段是没有意义的，只要大于零就行。

接着是sys_epoll_ctl(epoll_ctl对应的内核函数），需要明确的是每次调用sys_epoll_ctl只处理一个文件描述符，这里主要描述当op为EPOLL_CTL_ADD时的执行过程，sys_epoll_ctl做一些安全性检查后进入ep_insert，ep_insert里将 ep_poll_callback做为回掉函数加入设备的等待队列（假定这时设备尚未就绪），由于每次poll_ctl只 *** 作一个文件描述符，因此也可以认为这是一个O(1) *** 作

ep_poll_callback函数很关键，它在所等待的设备就绪后被系统回掉，执行两个 *** 作：

1，将就绪设备加入就绪队列，这一步避免了像poll那样在设备就绪后再次轮询所有设备找就绪者，降低了时间复杂度，由O（n）到O（1）;

2，唤醒虚拟的epoll文件;

最后是sys_epoll_wait，这里实际执行 *** 作的是ep_poll函数。该函数等待将进程自身插入虚拟epoll文件的等待队列，直到被唤醒（见上面ep_poll_callback函数描述），最后执行ep_events_transfer将结果拷贝到用户空间。由于只拷贝就绪设备信息，所以这里的拷贝是一个O(1） *** 作。

还有一个让人关心的问题就是epoll对EPOLLET的处理，即边沿触发的处理，粗略看代码就是把一部分水平触发模式下内核做的工作交给用户来处理，直觉上不会对性能有太大影响，感兴趣的朋友欢迎讨论。

POLL/EPOLL对比：

表面上poll的过程可以看作是由一次epoll_create/若干次epoll_ctl/一次epoll_wait/一次close等系统调用构成，实际上epoll将poll分成若干部分实现的原因正是因为服务器软件中使用poll的特点（比如Web服务器）：

1，需要同时poll大量文件描述符;

2，每次poll完成后就绪的文件描述符只占所有被poll的描述符的很少一部分。

3，前后多次poll调用对文件描述符数组（ufds）的修改只是很小;

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