Linux五种IO模型性能分析
轉(zhuǎn)載:http://blog.csdn.net/jay900323/article/details/18141217
?? ?Linux五種IO模型性能分析目錄(?)[-]
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? ? ?在進行網(wǎng)絡(luò)編程時，我們常常見到同步(Sync)/異步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四種調(diào)用方式：
同步：
??????所謂同步，就是在發(fā)出一個功能調(diào)用時，在沒有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回。也就是必須一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事。
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例如普通B/S模式（同步）：提交請求->等待服務(wù)器處理->處理完畢返回?這個期間客戶端瀏覽器不能干任何事
異步：
??????異步的概念和同步相對。當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者。
? ? ?例如 ajax請求（異步）:?請求通過事件觸發(fā)->服務(wù)器處理（這是瀏覽器仍然可以作其他事情）->處理完畢
阻塞
?????阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當前線程會被掛起（線程進入非可執(zhí)行狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，cpu不會給線程分配時間片，即線程暫停運行）。函數(shù)只有在得到結(jié)果之后才會返回。
? ? ?有人也許會把阻塞調(diào)用和同步調(diào)用等同起來，實際上他是不同的。對于同步調(diào)用來說，很多時候當前線程還是激活的，只是從邏輯上當前函數(shù)沒有返回而已。?例如，我們在socket中調(diào)用recv函數(shù)，如果緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，這個函數(shù)就會一直等待，直到有數(shù)據(jù)才返回。而此時，當前線程還會繼續(xù)處理各種各樣的消息。
非阻塞
??????非阻塞和阻塞的概念相對應(yīng)，指在不能立刻得到結(jié)果之前，該函數(shù)不會阻塞當前線程，而會立刻返回。
對象的阻塞模式和阻塞函數(shù)調(diào)用
對象是否處于阻塞模式和函數(shù)是不是阻塞調(diào)用有很強的相關(guān)性，但是并不是一一對應(yīng)的。阻塞對象上可以有非阻塞的調(diào)用方式，我們可以通過一定的API去輪詢狀?態(tài)，在適當?shù)臅r候調(diào)用阻塞函數(shù)，就可以避免阻塞。而對于非阻塞對象，調(diào)用特殊的函數(shù)也可以進入阻塞調(diào)用。函數(shù)select就是這樣的一個例子。
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1. 同步，就是我調(diào)用一個功能，該功能沒有結(jié)束前，我死等結(jié)果。
2. 異步，就是我調(diào)用一個功能，不需要知道該功能結(jié)果，該功能有結(jié)果后通知我（回調(diào)通知）
3. 阻塞， ? ? ?就是調(diào)用我（函數(shù)），我（函數(shù)）沒有接收完數(shù)據(jù)或者沒有得到結(jié)果之前，我不會返回。
4. 非阻塞， ?就是調(diào)用我（函數(shù)），我（函數(shù)）立即返回，通過select通知調(diào)用者
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同步IO和異步IO的區(qū)別就在于：數(shù)據(jù)拷貝的時候進程是否阻塞！
阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別就在于：應(yīng)用程序的調(diào)用是否立即返回！
對于舉個簡單c/s 模式：
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同步：提交請求->等待服務(wù)器處理->處理完畢返回這個期間客戶端瀏覽器不能干任何事異步：請求通過事件觸發(fā)->服務(wù)器處理（這是瀏覽器仍然可以作其他事情）->處理完畢 同步和異步都只針對于本機SOCKET而言的。
同步和異步,阻塞和非阻塞,有些混用,其實它們完全不是一回事,而且它們修飾的對象也不相同。
阻塞和非阻塞是指當進程訪問的數(shù)據(jù)如果尚未就緒,進程是否需要等待,簡單說這相當于函數(shù)內(nèi)部的實現(xiàn)區(qū)別,也就是未就緒時是直接返回還是等待就緒;
而同步和異步是指訪問數(shù)據(jù)的機制,同步一般指主動請求并等待I/O操作完畢的方式,當數(shù)據(jù)就緒后在讀寫的時候必須阻塞(區(qū)別就緒與讀寫二個階段,同步的讀寫必須阻塞),異步則指主動請求數(shù)據(jù)后便可以繼續(xù)處理其它任務(wù),隨后等待I/O,操作完畢的通知,這可以使進程在數(shù)據(jù)讀寫時也不阻塞。(等待"通知")
1. Linux下的五種I/O模型
1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O?（nonblocking I/O）
3) I/O復(fù)用(select 和poll)?（I/O multiplexing）
4)信號驅(qū)動I/O?（signal driven I/O (SIGIO)）
5)異步I/O?（asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）
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前四種都是同步，只有最后一種才是異步IO。
阻塞I/O模型：
????????簡介：進程會一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成
???? 應(yīng)用程序調(diào)用一個IO函數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞，等待數(shù)據(jù)準備好。 如果數(shù)據(jù)沒有準備好，一直等待….數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間,IO函數(shù)返回成功指示。
阻塞I/O模型圖：在調(diào)用recv()/recvfrom（）函數(shù)時，發(fā)生在內(nèi)核中等待數(shù)據(jù)和復(fù)制數(shù)據(jù)的過程。
? ? 當調(diào)用recv()函數(shù)時，系統(tǒng)首先查是否有準備好的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)沒有準備好，那么系統(tǒng)就處于等待狀態(tài)。當數(shù)據(jù)準備好后，將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)緩沖區(qū)復(fù)制到用戶空間，然后該函數(shù)返回。在套接應(yīng)用程序中，當調(diào)用recv()函數(shù)時，未必用戶空間就已經(jīng)存在數(shù)據(jù)，那么此時recv()函數(shù)就會處于等待狀態(tài)。
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? ? ?當使用socket()函數(shù)和WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建套接字時，默認的套接字都是阻塞的。這意味著當調(diào)用Windows Sockets API不能立即完成時，線程處于等待狀態(tài)，直到操作完成。
? ? 并不是所有Windows Sockets API以阻塞套接字為參數(shù)調(diào)用都會發(fā)生阻塞。例如，以阻塞模式的套接字為參數(shù)調(diào)用bind()、listen()函數(shù)時，函數(shù)會立即返回。將可能阻塞套接字的Windows Sockets API調(diào)用分為以下四種:
? ? 1．輸入操作：?recv()、recvfrom()、WSARecv()和WSARecvfrom()函數(shù)。以阻塞套接字為參數(shù)調(diào)用該函數(shù)接收數(shù)據(jù)。如果此時套接字緩沖區(qū)內(nèi)沒有數(shù)據(jù)可讀，則調(diào)用線程在數(shù)據(jù)到來前一直睡眠。
? ? 2．輸出操作：?send()、sendto()、WSASend()和WSASendto()函數(shù)。以阻塞套接字為參數(shù)調(diào)用該函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果套接字緩沖區(qū)沒有可用空間，線程會一直睡眠，直到有空間。
? ? 3．接受連接：accept()和WSAAcept()函數(shù)。以阻塞套接字為參數(shù)調(diào)用該函數(shù)，等待接受對方的連接請求。如果此時沒有連接請求，線程就會進入睡眠狀態(tài)。
? ?4．外出連接：connect()和WSAConnect()函數(shù)。對于TCP連接，客戶端以阻塞套接字為參數(shù)，調(diào)用該函數(shù)向服務(wù)器發(fā)起連接。該函數(shù)在收到服務(wù)器的應(yīng)答前，不會返回。這意味著TCP連接總會等待至少到服務(wù)器的一次往返時間。
使用阻塞模式的套接字，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序比較簡單，容易實現(xiàn)。當希望能夠立即發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，且處理的套接字數(shù)量比較少的情況下，使用阻塞模式來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序比較合適。
? ? 阻塞模式套接字的不足表現(xiàn)為，在大量建立好的套接字線程之間進行通信時比較困難。當使用“生產(chǎn)者-消費者”模型開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序時，為每個套接字都分別分配一個讀線程、一個處理數(shù)據(jù)線程和一個用于同步的事件，那么這樣無疑加大系統(tǒng)的開銷。其最大的缺點是當希望同時處理大量套接字時，將無從下手，其擴展性很差
非阻塞IO模型?
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簡介：非阻塞IO通過進程反復(fù)調(diào)用IO函數(shù)（多次系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回）；在數(shù)據(jù)拷貝的過程中，進程是阻塞的；?
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?????? 我們把一個SOCKET接口設(shè)置為非阻塞就是告訴內(nèi)核，當所請求的I/O操作無法完成時，不要將進程睡眠，而是返回一個錯誤。這樣我們的I/O操作函數(shù)將不斷的測試數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準備好，如果沒有準備好，繼續(xù)測試，直到數(shù)據(jù)準備好為止。在這個不斷測試的過程中，會大量的占用CPU的時間。
? ? 把SOCKET設(shè)置為非阻塞模式，即通知系統(tǒng)內(nèi)核：在調(diào)用Windows Sockets API時，不要讓線程睡眠，而應(yīng)該讓函數(shù)立即返回。在返回時，該函數(shù)返回一個錯誤代碼。圖所示，一個非阻塞模式套接字多次調(diào)用recv()函數(shù)的過程。前三次調(diào)用recv()函數(shù)時，內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒有準備好。因此，該函數(shù)立即返回WSAEWOULDBLOCK錯誤代碼。第四次調(diào)用recv()函數(shù)時，數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，被復(fù)制到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)中，recv()函數(shù)返回成功指示，應(yīng)用程序開始處理數(shù)據(jù)。
? ? ?當使用socket()函數(shù)和WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建套接字時，默認都是阻塞的。在創(chuàng)建套接字之后，通過調(diào)用ioctlsocket()函數(shù)，將該套接字設(shè)置為非阻塞模式。Linux下的函數(shù)是:fcntl().
??? 套接字設(shè)置為非阻塞模式后，在調(diào)用Windows Sockets API函數(shù)時，調(diào)用函數(shù)會立即返回。大多數(shù)情況下，這些函數(shù)調(diào)用都會調(diào)用“失敗”，并返回WSAEWOULDBLOCK錯誤代碼。說明請求的操作在調(diào)用期間內(nèi)沒有時間完成。通常，應(yīng)用程序需要重復(fù)調(diào)用該函數(shù)，直到獲得成功返回代碼。
??? 需要說明的是并非所有的Windows Sockets API在非阻塞模式下調(diào)用，都會返回WSAEWOULDBLOCK錯誤。例如，以非阻塞模式的套接字為參數(shù)調(diào)用bind()函數(shù)時，就不會返回該錯誤代碼。當然，在調(diào)用WSAStartup()函數(shù)時更不會返回該錯誤代碼，因為該函數(shù)是應(yīng)用程序第一調(diào)用的函數(shù)，當然不會返回這樣的錯誤代碼。
??? 要將套接字設(shè)置為非阻塞模式，除了使用ioctlsocket()函數(shù)之外，還可以使用WSAAsyncselect()和WSAEventselect()函數(shù)。當調(diào)用該函數(shù)時，套接字會自動地設(shè)置為非阻塞方式。
由于使用非阻塞套接字在調(diào)用函數(shù)時，會經(jīng)常返回WSAEWOULDBLOCK錯誤。所以在任何時候，都應(yīng)仔細檢查返回代碼并作好對“失敗”的準備。應(yīng)用程序連續(xù)不斷地調(diào)用這個函數(shù)，直到它返回成功指示為止。上面的程序清單中，在While循環(huán)體內(nèi)不斷地調(diào)用recv()函數(shù)，以讀入1024個字節(jié)的數(shù)據(jù)。這種做法很浪費系統(tǒng)資源。
??? 要完成這樣的操作，有人使用MSG_PEEK標志調(diào)用recv()函數(shù)查看緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)可讀。同樣，這種方法也不好。因為該做法對系統(tǒng)造成的開銷是很大的，并且應(yīng)用程序至少要調(diào)用recv()函數(shù)兩次，才能實際地讀入數(shù)據(jù)。較好的做法是，使用套接字的“I/O模型”來判斷非阻塞套接字是否可讀可寫。
??? 非阻塞模式套接字與阻塞模式套接字相比，不容易使用。使用非阻塞模式套接字，需要編寫更多的代碼，以便在每個Windows Sockets API函數(shù)調(diào)用中，對收到的WSAEWOULDBLOCK錯誤進行處理。因此，非阻塞套接字便顯得有些難于使用。
??? 但是，非阻塞套接字在控制建立的多個連接，在數(shù)據(jù)的收發(fā)量不均，時間不定時，明顯具有優(yōu)勢。這種套接字在使用上存在一定難度，但只要排除了這些困難，它在功能上還是非常強大的。通常情況下，可考慮使用套接字的“I/O模型”，它有助于應(yīng)用程序通過異步方式，同時對一個或多個套接字的通信加以管理。
IO復(fù)用模型：
?????????????簡介：主要是select和epoll；對一個IO端口，兩次調(diào)用，兩次返回，比阻塞IO并沒有什么優(yōu)越性；關(guān)鍵是能實現(xiàn)同時對多個IO端口進行監(jiān)聽；
? ?? ?I/O復(fù)用模型會用到select、poll、epoll函數(shù)，這幾個函數(shù)也會使進程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，這兩個函數(shù)可以同時阻塞多個I/O操作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數(shù)進行檢測，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫時，才真正調(diào)用I/O操作函數(shù)。
信號驅(qū)動IO
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? ??簡介：兩次調(diào)用，兩次返回；
????首先我們允許套接口進行信號驅(qū)動I/O,并安裝一個信號處理函數(shù)，進程繼續(xù)運行并不阻塞。當數(shù)據(jù)準備好時，進程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。
異步IO模型
???????? 簡介：數(shù)據(jù)拷貝的時候進程無需阻塞。
? ? ?當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者的輸入輸出操作
同步IO引起進程阻塞，直至IO操作完成。
異步IO不會引起進程阻塞。
IO復(fù)用是先通過select調(diào)用阻塞。
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5個I/O模型的比較：
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1. select、poll、epoll簡介
epoll跟select都能提供多路I/O復(fù)用的解決方案。在現(xiàn)在的Linux內(nèi)核里有都能夠支持，其中epoll是Linux所特有，而select則應(yīng)該是POSIX所規(guī)定，一般操作系統(tǒng)均有實現(xiàn)
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select：
select本質(zhì)上是通過設(shè)置或者檢查存放fd標志位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進行下一步處理。這樣所帶來的缺點是：
1、 單個進程可監(jiān)視的fd數(shù)量被限制，即能監(jiān)聽端口的大小有限。
????? 一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.
2、 對socket進行掃描時是線性掃描，即采用輪詢的方法，效率較低：
?????? 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(diào)度,不管哪個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字注冊某個回調(diào)函數(shù)，當他們活躍時，自動完成相關(guān)操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。
3、需要維護一個用來存放大量fd的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣會使得用戶空間和內(nèi)核空間在傳遞該結(jié)構(gòu)時復(fù)制開銷大
poll：
poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個fd對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，如果設(shè)備就緒則在設(shè)備等待隊列中加入一項并繼續(xù)遍歷，如果遍歷完所有fd后沒有發(fā)現(xiàn)就緒設(shè)備，則掛起當前進程，直到設(shè)備就緒或者主動超時，被喚醒后它又要再次遍歷fd。這個過程經(jīng)歷了多次無謂的遍歷。
它沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的，但是同樣有一個缺點：
1、大量的fd的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核地址空間之間，而不管這樣的復(fù)制是不是有意義。????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2、poll還有一個特點是“水平觸發(fā)”，如果報告了fd后，沒有被處理，那么下次poll時會再次報告該fd。
epoll:epoll支持水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)，最大的特點在于邊緣觸發(fā)，它只告訴進程哪些fd剛剛變?yōu)榫托钁B(tài)，并且只會通知一次。還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll_ctl注冊fd，一旦該fd就緒，內(nèi)核就會采用類似callback的回調(diào)機制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知
epoll的優(yōu)點：
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1、沒有最大并發(fā)連接的限制，能打開的FD的上限遠大于1024（1G的內(nèi)存上能監(jiān)聽約10萬個端口）；2、效率提升，不是輪詢的方式，不會隨著FD數(shù)目的增加效率下降。只有活躍可用的FD才會調(diào)用callback函數(shù)；
?????即Epoll最大的優(yōu)點就在于它只管你“活躍”的連接，而跟連接總數(shù)無關(guān)，因此在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，Epoll的效率就會遠遠高于select和poll。 3、?內(nèi)存拷貝，利用mmap()文件映射內(nèi)存加速與內(nèi)核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減少復(fù)制開銷。
select、poll、epoll 區(qū)別總結(jié)：
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1、支持一個進程所能打開的最大連接數(shù)
| select | 單個進程所能打開的最大連接數(shù)有FD_SETSIZE宏定義，其大小是32個整數(shù)的大小（在32位的機器上，大小就是32*32，同理64位機器上FD_SETSIZE為32*64），當然我們可以對進行修改，然后重新編譯內(nèi)核，但是性能可能會受到影響，這需要進一步的測試。 |
| poll | poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，但是它沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的 |
| epoll | 雖然連接數(shù)有上限，但是很大，1G內(nèi)存的機器上可以打開10萬左右的連接，2G內(nèi)存的機器可以打開20萬左右的連接 |
2、FD劇增后帶來的IO效率問題
| select | 因為每次調(diào)用時都會對連接進行線性遍歷，所以隨著FD的增加會造成遍歷速度慢的“線性下降性能問題”。 |
| poll | 同上 |
| epoll | 因為epoll內(nèi)核中實現(xiàn)是根據(jù)每個fd上的callback函數(shù)來實現(xiàn)的，只有活躍的socket才會主動調(diào)用callback，所以在活躍socket較少的情況下，使用epoll沒有前面兩者的線性下降的性能問題，但是所有socket都很活躍的情況下，可能會有性能問題。 |
3、 消息傳遞方式
| select | 內(nèi)核需要將消息傳遞到用戶空間，都需要內(nèi)核拷貝動作 |
| poll | 同上 |
| epoll | epoll通過內(nèi)核和用戶空間共享一塊內(nèi)存來實現(xiàn)的。 |
總結(jié)：
綜上，在選擇select，poll，epoll時要根據(jù)具體的使用場合以及這三種方式的自身特點。
1、表面上看epoll的性能最好，但是在連接數(shù)少并且連接都十分活躍的情況下，select和poll的性能可能比epoll好，畢竟epoll的通知機制需要很多函數(shù)回調(diào)。
2、select低效是因為每次它都需要輪詢。但低效也是相對的，視情況而定，也可通過良好的設(shè)計改善
學(xué)習技術(shù)不只是為養(yǎng)家糊口，也為夜深人靜的時候能夠一個人靜靜享受這其中的樂趣。總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Linux五种IO模型性能分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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