怎么理解UNIX的網絡I/O模型

這篇文章主要講解了“怎么理解UNIX的網絡I/O模型”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“怎么理解UNIX的網絡I/O模型”吧！

UNIX的網絡I/O模型：

    概念：
        1)linux內核對一個文件的讀寫操作會調用內核提供的系統命令，返回一個文件描述符(file discriptor，簡稱fd)。
            描述符就是一個數字，它指向內核中的一個結構體，這個結構體包含了文件路徑等信息。 eg：對socket的讀寫會返回一個描述符 socketfd
        2)一次?絡I/O的讀操作會包含下面這兩個階段：1)等待數據準備就緒 2)數據從內核復制到用戶空間(即用戶進程)。

    1）阻塞I/O模型：blocking I/O
        概念：用戶進程從阻塞的socket中讀取數據時，只有當數據包到達該socket的接收緩存區且數據被復制到進程空間的緩存區中 或 發生錯誤時 才返回，在此期間進程會一直阻塞等待。

        說明：默認情況下，所有的文件操作都是阻塞的。
        缺點：客戶端的并發訪問量比較高時，服務端需要創建大量的線程來響應請求，當線程的數量膨脹后，系統的性能會急劇下降甚至宕機。

        偽異步I/O模型：
            概念：為了解決阻塞I/O模型中需要為每一個請求都創建一個線程的問題，服務端可以使用線程池來實現一個偽異步I/O模型。
            偽異步I/O模型可能導致的級聯故障：某臺服務器故障導致響應緩慢 -> 線程讀取故障服務節點的響應 -> 所有線程被故障節點阻塞，后續IO消息都在隊列中 -> 隊列積滿 -> 新的客戶端請求被拒絕，服務器無響應

    2）非阻塞I/O模型：nonblocking I/O
        概念：用戶進程從非阻塞的socket中讀取數據時，若該套接字的接收緩存區中沒有數據，則內核會直接返回一個錯誤。

        說明：一般當socket設為非阻塞狀態時，用戶進程會輪詢內核(eg:循環調用recvfrom函數)，直到內核有數據返回為止，因此會導致大量cpu資源被占用。

    3）I/O復用模型：I/O multiplexing
        概念：將多個待監聽的fd注冊到多路復用器(selector)中，注冊的時候需要指定該fd上待監聽的事件，selector會一直監聽注冊的fd，當fd上有事件發生時，selector會做出相應的處理。

        說明：
            與阻塞I/O模型相比，I/O復用模型是阻塞在select調用(或poll調用、或epoll調用)上，而不是阻塞在真正的I/O操作上。注意：阻塞是針對發起方而言的。
            獲取fd的狀態：內核把fd的信息通知給用戶空間。
            水平觸發：若就緒的fd未被用戶進程處理，則該fd在下一次查詢時依舊會返回。
            邊緣觸發：無論就緒的fd是否被用戶進程處理，該fd在下一次查詢時將不再返回。

        優點：
            客戶端發起的連接操作是異步的，故單線程可以同時處理多個客戶端的IO請求。系統不需要為每個客戶端請求都創建一個線程，這樣大大降低了系統的開銷，
        缺點：

        select調用：
            概念：多路復用器(selector)由select函數實現。

            監聽機制：
                輪詢注冊的fd，并根據fd的狀態做相應的處理：
                    讀就緒狀態             ->    讀數據 并 刪除該讀就緒事件
                    寫就緒狀態             ->    寫數據 并 刪除該寫就緒事件
                    接收(accept)就緒狀態     ->    注冊新的讀就緒事件 并 刪除該接收就緒事件
                    ...
                獲取fd的狀態：內核把所有監聽的fd的信息整體復制到用戶空間。

            觸發方式：水平觸發。

            優點：與非阻塞式I/O模式相比，select調用不需要客戶端不斷地發出請求。
            缺點：
                單個進程可以打開的fd數量有限，默認1024個，如果要修改這個默認值，需要重新編譯內核。
                每次select調用都會線性地掃描所有監聽的fd(即:無論fd是否就緒，select都會去檢查它的狀態)，當監聽的fd數量比較多時，I/O效率呈線性下降。

        poll調用：
            概念：多路復用器(selector)由poll函數實現。

            監聽機制：同select調用。

            觸發方式：水平觸發。

            優點：
                單個進程可以打開的fd數量不受限制。
            缺點：
                線性地掃描所有監聽的fd，當監聽的fd數量比較多時，I/O效率呈線性下降。

        epoll調用：
            概念：selector由一系列epoll_函數實現。

            監聽機制：
                當fd就緒時，fd會立即回調rollback函數。而那些沒有就緒的fd則不會回調rollback函數。
                獲取fd的狀態：使用內存映射，不需要把fd的信息從內核復制到用戶空間。

            觸發方式：默認是水平觸發，支持邊緣觸發。

            優點：
                單個進程可以打開的fd數量不受限制。(僅受限于操作系統的最大文件句柄數，1g內存的最大文件句柄數為10w左右)
                由于epoll采用的是回調函數的方式，而不是線性掃描的方式，故I/O效率不會隨著fd數量的增加而線性下降。
                使用內存映射，避免了內存復制的開銷，加速了內核與用戶空間的消息傳遞。
            缺點：
                在連接數少并且連接都十分活躍的情況下，epoll的性能可能比select和poll的性能差，畢竟epoll的通知機制需要很多函數回調。

    4）信號驅動式I/O模型：SIGIO
        開啟套接字信號驅動IO功能，并通過sigaction系統調用，執行一個信號處理函數，當數據報準備好時，內核就為該進程產生一個SIGIO信號，用戶進程收到這個信號后，就可以開始進行I/O操作了。
        該系統調用會立即返回，在等待數據報到達期間，用戶進程不會被阻塞。
        
        說明：信號驅動式I/O模型使用的場景比較少。

    5）異步I/O模型：POSIX定義的異步IO函數
        
        調用異步IO函數，讓內核在整個I/O操作(包括將數據從內核復制到用戶自己的緩沖區)完成后通知用戶進程。
        該系統調用會立即返回，在等待I/O操作期間，用戶進程不被阻塞。

        說明：同步/異步是針對執行方而言的。      

感謝各位的閱讀，以上就是“怎么理解UNIX的網絡I/O模型”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對怎么理解UNIX的網絡I/O模型這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！