一文理解I/O多路复用模型

一文理解I/O多路复用模型

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_73360961/article/details/145464594

I/O多路复用是Linux系统中用于提高I/O效率的重要技术，它使得一个线程能够同时处理多个I/O操作。本文将详细介绍I/O多路复用模型及其三种常见实现方式：select、poll和epoll，帮助读者理解这一重要的计算机科学概念。

Linux系统为了提高I/O效率，在用户空间和内核空间都引入了缓冲区的概念：

• 写数据时：将用户缓冲区的数据拷贝到内核缓冲区，然后写入硬件设备。
• 读数据时：从硬件设备读取数据到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区。

在了解I/O多路复用模型之前，我们需要了解几种常见的I/O模型，以便区分它们的优缺点。

1. 阻塞型I/O（Blocking I/O）

阻塞型I/O是最简单的一种I/O模型，分为两个阶段：

• 阶段一：用户进程尝试读取数据。如果数据尚未到达内核缓冲区，用户进程会被阻塞，直到数据可用。
• 阶段二：当数据到达内核缓冲区后，数据会被拷贝到用户缓冲区。在数据拷贝过程中，用户进程仍然被阻塞，直到拷贝完成，才会解除阻塞，继续处理数据。

2. 非阻塞型I/O（Non-blocking I/O）

非阻塞型I/O也分为两个阶段，但与阻塞型不同的是：

• 阶段一：用户进程尝试读取数据。如果数据还没有到达内核缓冲区，内核进程会返回一个异常给用户进程。用户进程接收到异常后会不断尝试读取数据，直到数据准备就绪。
• 阶段二：与阻塞型I/O相似，当数据到达内核缓冲区后，会将数据拷贝到用户缓冲区，拷贝过程中用户进程仍然处于阻塞状态，直到拷贝完成，才能处理数据。

3. I/O多路复用（I/O Multiplexing）

I/O多路复用技术使得一个线程能同时处理多个I/O操作。当某个I/O操作变得可读或可写时，程序会得到通知，从而避免了不必要的等待，并充分利用CPU资源。

I/O多路复用流程：

• 阶段一：用户进程通过调用select()等方法，指定需要监听的多个Socket。监听过程中，用户进程会阻塞，直到某个Socket的数据准备好。
• 阶段二：当某个或多个Socket变得可用时，用户进程会被通知，随后遍历可用的Socket并调用recvfrom等方法读取数据。内核将数据从缓冲区拷贝到用户缓冲区，用户进程可以进行数据处理。

I/O多路复用的优势：

• 减少无效等待：通过只关注那些就绪的I/O操作，避免了无谓的等待，提升了效率。
• CPU资源优化：通过单线程实现多个Socket的监听，提高了系统资源利用率，尤其在高并发场景中表现优异。

4. I/O多路复用的实现方式

I/O多路复用有三种常见的实现方式：select、poll和epoll。select和poll只会通知用户进程有Socket准备就绪，需要用户进程遍历所有Socket来确认到底是哪个，而epoll会直接把就绪的Socket写入用户空间。

1. select

• 特点：早期实现的I/O多路复用机制，每次调用时都需要将所有文件描述符从用户态拷贝到内核态。
• 限制：支持的文件描述符数量有限（一般为1024个），当连接数较多时，性能会急剧下降。
• 适用场景：小规模并发，连接数较少的应用。

2. poll

• 特点：类似于select，但取消了文件描述符数量的限制，改为链表管理文件描述符。
• 缺点：性能随着文件描述符数量增加而下降，因为每次都需要遍历整个文件描述符集合。
• 适用场景：中等规模并发。

3. epoll（Linux）

• 特点：高效的I/O多路复用机制，适用于高并发场景。内核通过红黑树管理文件描述符，只返回发生事件的文件描述符，避免了遍历所有连接。
• 优势：性能优异，支持成千上万的并发连接。
• 适用场景：大规模并发、高吞吐量的网络服务，如Nginx和Redis。

5. 总结

I/O多路复用技术使得一个线程能够高效地处理大量并发I/O请求。通过非阻塞I/O和事件驱动机制，它显著减少了线程创建和切换的开销。三种常见实现方式（select、poll、epoll）各有优缺点，适用于不同规模和场景的应用。尤其是epoll，在Linux系统中常用于高并发服务的实现，具备出色的性能表现。