UNIX的网络I/O模型

UNIX的网络I/O模型：

    概念：
        1)linux内核对一个文件的读写操做会调用内核提供的系统命令，返回一个文件描述符(file discriptor，简称fd)。
            描述符就是一个数字，它指向内核中的一个结构体，这个结构体包含了文件路径等信息。 eg：对socket的读写会返回一个描述符 socketfd
        2)一次⽹络I/O的读操做会包含下面这两个阶段：1)等待数据准备就绪 2)数据从内核复制到用户空间(即用户进程)。

    1）阻塞I/O模型：blocking I/O
        概念：用户进程从阻塞的socket中读取数据时，只有当数据包到达该socket的接收缓存区且数据被复制到进程空间的缓存区中 或 发生错误时 才返回，在此期间进程会一直阻塞等待。

        说明：默认状况下，全部的文件操做都是阻塞的。
        缺点：客户端的并发访问量比较高时，服务端须要建立大量的线程来响应请求，当线程的数量膨胀后，系统的性能会急剧降低甚至宕机。

        伪异步I/O模型：
            概念：为了解决阻塞I/O模型中须要为每个请求都建立一个线程的问题，服务端可使用线程池来实现一个伪异步I/O模型。
            伪异步I/O模型可能致使的级联故障：某台服务器故障致使响应缓慢 -> 线程读取故障服务节点的响应 -> 全部线程被故障节点阻塞，后续IO消息都在队列中 -> 队列积满 -> 新的客户端请求被拒绝，服务器无响应

    2）非阻塞I/O模型：nonblocking I/O
        概念：用户进程从非阻塞的socket中读取数据时，若该套接字的接收缓存区中没有数据，则内核会直接返回一个错误。

        说明：通常当socket设为非阻塞状态时，用户进程会轮询内核(eg:循环调用recvfrom函数)，直到内核有数据返回为止，所以会致使大量cpu资源被占用。

    3）I/O复用模型：I/O multiplexing
        概念：将多个待监听的fd注册到多路复用器(selector)中，注册的时候须要指定该fd上待监听的事件，selector会一直监听注册的fd，当fd上有事件发生时，selector会作出相应的处理。

        说明：
            与阻塞I/O模型相比，I/O复用模型是阻塞在select调用(或poll调用、或epoll调用)上，而不是阻塞在真正的I/O操做上。注意：阻塞是针对发起方而言的。
            获取fd的状态：内核把fd的信息通知给用户空间。
            水平触发：若就绪的fd未被用户进程处理，则该fd在下一次查询时依旧会返回。
            边缘触发：不管就绪的fd是否被用户进程处理，该fd在下一次查询时将再也不返回。

        优势：
            客户端发起的链接操做是异步的，故单线程能够同时处理多个客户端的IO请求。系统不须要为每一个客户端请求都建立一个线程，这样大大下降了系统的开销，
        缺点：

        select调用：
            概念：多路复用器(selector)由select函数实现。

            监听机制：
                轮询注册的fd，并根据fd的状态作相应的处理：
                    读就绪状态             ->    读数据 并 删除该读就绪事件
                    写就绪状态             ->    写数据 并 删除该写就绪事件
                    接收(accept)就绪状态     ->    注册新的读就绪事件 并 删除该接收就绪事件
                    ...
                获取fd的状态：内核把全部监听的fd的信息总体复制到用户空间。

            触发方式：水平触发。

            优势：与非阻塞式I/O模式相比，select调用不须要客户端不断地发出请求。
            缺点：
                单个进程能够打开的fd数量有限，默认1024个，若是要修改这个默认值，须要从新编译内核。
                每次select调用都会线性地扫描全部监听的fd(即:不管fd是否就绪，select都会去检查它的状态)，当监听的fd数量比较多时，I/O效率呈线性降低。

        poll调用：
            概念：多路复用器(selector)由poll函数实现。

            监听机制：同select调用。

            触发方式：水平触发。

            优势：
                单个进程能够打开的fd数量不受限制。
            缺点：
                线性地扫描全部监听的fd，当监听的fd数量比较多时，I/O效率呈线性降低。

        epoll调用：
            概念：selector由一系列epoll_函数实现。

            监听机制：
                当fd就绪时，fd会当即回调rollback函数。而那些没有就绪的fd则不会回调rollback函数。
                获取fd的状态：使用内存映射，不须要把fd的信息从内核复制到用户空间。

            触发方式：默认是水平触发，支持边缘触发。

            优势：
                单个进程能够打开的fd数量不受限制。(仅受限于操做系统的最大文件句柄数，1g内存的最大文件句柄数为10w左右)
                因为epoll采用的是回调函数的方式，而不是线性扫描的方式，故I/O效率不会随着fd数量的增长而线性降低。
                使用内存映射，避免了内存复制的开销，加速了内核与用户空间的消息传递。
            缺点：
                在链接数少而且链接都十分活跃的状况下，epoll的性能可能比select和poll的性能差，毕竟epoll的通知机制须要不少函数回调。

    4）信号驱动式I/O模型：SIGIO
        开启套接字信号驱动IO功能，并经过sigaction系统调用，执行一个信号处理函数，当数据报准备好时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号，用户进程收到这个信号后，就能够开始进行I/O操做了。
        该系统调用会当即返回，在等待数据报到达期间，用户进程不会被阻塞。
        
        说明：信号驱动式I/O模型使用的场景比较少。

    5）异步I/O模型：POSIX定义的异步IO函数
        
        调用异步IO函数，让内核在整个I/O操做(包括将数据从内核复制到用户本身的缓冲区)完成后通知用户进程。
        该系统调用会当即返回，在等待I/O操做期间，用户进程不被阻塞。

        说明：同步/异步是针对执行方而言的。