5种网络通讯设计模型（也称IO模型）

一、基本概念

同步：同步函数通常指调用函数后，等到函数功能实现再返回，期间一直霸占的CPU，等待期间同一个线程没法执行其余函数

异步：异步函数指调用函数后，无论函数功能是否实现，立马返回；经过回调函数等告知函数功能完成

阻塞：调用某些函数阻塞是由于函数功能没有实现，主动放弃CPU，让其余线程的得以执行；当功能实现后，函数返回

非阻塞：调用某些函数不会进入阻塞，不管实现与否，都会返回结果

 

二、5种 IO 模型

阻塞模型

应用程序调用一个IO函数，致使应用程序阻塞，等待数据准备好。 若是数据没有准备好，一直等待

特色：

　　当但愿可以当即发送和接收数据，且处理的套接字数量比较少的状况下，使用阻塞模式来开发网络程序比较合适。

　　阻塞模式套接字的不足表现为，在大量创建好的套接字线程之间进行通讯时比较困难。当使用“生产者-消费者”模型开发网络程序时，为每一个套接字都分别分配一个读线程、一个处理数据线程和一个用于同步的事件，那么这样无疑加大系统的开销。其最大的缺点是当但愿同时处理大量套接字时，将无从下手，其扩展性不好

 

非阻塞模型

程序框架以下：

while true {
    for i in stream[]
    {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

 

特色：

　　不像阻塞模型须要为每一个socket建立一个线程，非阻塞只须要一个线程，可是会一直占用CPU

 

复用模型

      I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞（根据实参规定最长进入阻塞时间，是否进入阻塞），可是和阻塞I/O所不一样的的，这些函数能够同时阻塞多个I/O操做。并且能够同时对多个读操做、多个写操做的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操做函数。

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在如今的Linux内核里有都可以支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，通常操做系统均有实现

 

select：

程序框架以下：

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

 

select本质上是经过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

一、 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。

      通常来讲这个数目和系统内存关系很大，具体数目能够cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

二、 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：

       由于select()只会告诉咱们有套接字可读或可写，没有指明是哪一个套接字的哪一个事件发生，因此须要遍历每一个套接字，时间复杂度是O(n)。若是能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操做，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue作的。

三、须要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll：（有待从新组织语言）

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，而后查询每一个fd对应的设备状态，若是设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，若是遍历完全部fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了屡次无谓的遍历。

它没有最大链接数的限制，缘由是它是基于链表来存储的，可是一样有一个缺点：

一、大量的fd的数组被总体复制于用户态和内核地址空间之间，而无论这样的复制是否是有意义。

二、poll还有一个特色是“水平触发”，若是报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll:

程序框架以下；

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till unavailable
    }
}

 

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特色在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，而且只会通知一次。还有一个特色是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，经过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用相似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait即可以收到通知

epoll的优势：

一、相比于select，没有最大并发链接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；
二、效率提高，不是无差异轮询的方式，不会随着FD数目的增长效率降低。只有活跃可用的FD才会调用callback函数，时间复杂度为O(k)，k为产生I/O事件的流的个数
      即Epoll最大的优势就在于它只管你“活跃”的链接，而跟链接总数无关，所以在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

三、 内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减小复制开销。

select、poll、epoll 区别总结：

 

一、一个进程所能打开的最大链接数

select	单个进程所能打开的最大链接数由FD_SETSIZE宏定义，其大小是32个整数的大小（在32位的机器上，大小就是32*32，同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64），固然咱们能够对进行修改，而后从新编译内核，可是性能可能会受到影响，这须要进一步的测试。
poll	poll本质上和select没有区别，可是它没有最大链接数的限制，缘由是它是基于链表来存储的
epoll	虽然链接数有上限，可是很大，1G内存的机器上能够打开10万左右的链接，2G内存的机器能够打开20万左右的链接

二、FD剧增后带来的IO效率问题

select	由于每次调用时都会对链接进行线性遍历，因此随着FD的增长会形成遍历速度慢的“线性降低性能问题”。
poll	同上
epoll	由于epoll内核中实现是根据每一个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback，因此在活跃socket较少的状况下，使用epoll没有前面二者的线性降低的性能问题，可是全部socket都很活跃的状况下，可能会有性能问题。

三、 消息传递方式

select	内核须要将消息传递到用户空间，都须要内核拷贝动做
poll	同上
epoll	epoll经过内核和用户空间共享一块内存来实现的。

总结：

综上，在选择select，poll，epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特色。

一、表面上看epoll的性能最好，可是在链接数少而且链接都十分活跃的状况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制须要不少函数回调。

二、select低效是由于每次它都须要轮询。但低效也是相对的，视状况而定，也可经过良好的设计改善

三、epoll 能显著提升程序在大量并发链接中只有少许活跃的状况下的系统CPU利用率

 

信号驱动模型

    首先咱们容许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，能够在信号处理函数中调用I/O操做函数处理数据。

 

异步模型

  简介：数据拷贝的时候进程无需阻塞。

     当一个异步过程调用发出后，调用者不能马上获得结果。实际处理这个调用的部件在完成后，经过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操做

 

比较