一、I/O 模型

一个输入操作通常包括两个阶段：

• 等待数据准备好
• 从内核向进程复制数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 下有五种 I/O 模型：

• 阻塞式 I/O
• 非阻塞式 I/O
• I/O 复用（select 和 poll）
• 信号驱动式 I/O（SIGIO）
• 异步 I/O（AIO）

阻塞式 I/O

应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。

应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。

下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

非阻塞式 I/O

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。

由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型是比较低效的。

I/O 复用

使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。并且相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。

信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。

异步 I/O

进行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。

同步 I/O 与异步 I/O

• 同步 I/O：应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
• 异步 I/O：不会阻塞。

阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。

五大 I/O 模型比较

前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段，而第二个阶段是一样的：将数据从内核复制到应用进程过程中，应用进程会被阻塞。

二、I/O 复用

select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。

总结

IO 多路复用是一种高效管理多个 IO 事件的技术，通过单线程监控多个文件描述符（fd），实现高并发的 IO 操作。

常见的 I/O 多路复用机制包括 select、poll 和 epoll 等。

select 使用位图管理 fd，每次调用都需要将 fd 集合从用户态复制到内核态。最大支持 1024 个文件描述符。

poll 使用动态数组管理 fd，链表形式，突破了 select 的数量限制。

epoll 使用红黑树和链表管理 fd，每次调用只需要将 fd 集合从用户态复制到内核态一次，不需要重复复制。

select

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);


// 使用方法:

// Call the select
int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );

// Check if select actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
        // input event on sock1

    if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
        // output event on sock2
}

将已连接的 Socket 都放到⼀个⽂件描述符集合fd_set，然后调⽤ select 函数将 fd_set 集合拷⻉到内核⾥，让内核来检查是否有⽹络事件产⽣，检查的⽅式很粗暴，就是通过遍历 fd_set 的⽅式，当检查到有事件产⽣后，将此 Socket 标记为可读或可写， 接着再把整个 fd_set 拷⻉回⽤户态⾥，然后⽤户态还需要再通过遍历的⽅法找到可读或可写的 Socket，再对其处理。

select 使⽤固定⻓度的 BitsMap，表示⽂件描述符集合，⽽且所⽀持的⽂件描述符的个数是有限制的，在 Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制， 默认最⼤值为 1024 ，只能监听 0~1023 的⽂件描述符。

select 机制的缺点：

（1）每次调用 select，都需要把 fd_set 集合从用户态拷贝到内核态，如果 fd_set 集合很大时，那这个开销也很大，比如百万连接却只有少数活跃连接时这样做就太没有效率。

（2）每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd_set，如果 fd_set 集合很大时，那这个开销也很大。

（3）为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的 fd_set 集合大小做了限制，一般为 1024，如果想要修改会比较麻烦，可能还需要编译内核。

（4）每次调用 select 之前都需要遍历设置监听集合，重复工作。

poll

poll 不再⽤ BitsMap 来存储所关注的⽂件描述符，取⽽代之⽤动态数组，以链表形式来组织，突破了 select 的⽂件描述符个数限制，当然还会受到系统⽂件描述符限制。

但是 poll 和 select 并没有太⼤的本质区别，都是使⽤线性结构存储进程关注的 Socket 集合，因此都需要遍历⽂件描述符集合来找到可读或可写的 Socke，时间复杂度为 O(n)，⽽且也需要在⽤户态与内核态之间拷⻉⽂件描述符集合，这种⽅式随着并发数上来，性能的损耗会呈指数级增⻓。

epoll

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。

从上面的描述可以看出，epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次，并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。不像select epoll只有一个函数。

epoll 通过两个⽅⾯，很好解决了 select/poll 的问题。

第⼀点，epoll 在内核⾥使⽤红⿊树来跟踪进程所有待检测的⽂件描述字，把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加⼊内核中的红⿊树⾥，红⿊树是个⾼效的数据结构，增删查⼀般时间复杂度是 O(logn) ，通过对这棵⿊红树进⾏操作，这样就不需要像 select/poll 每次操作时都传⼊整个 socket 集合，只需要传⼊⼀个待检测的 socket，减少了内核和⽤户空间⼤量的数据拷⻉和内存分配。

第⼆点， epoll 使⽤事件驱动的机制，内核⾥维护了⼀个链表来记录就绪事件，当某个 socket 有事件发⽣时，通过回调函数，内核会将其加⼊到这个就绪事件列表中，当⽤户调⽤ epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发⽣的⽂件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，⼤⼤提⾼了检测的效率。

epoll 的⽅式即使监听的 Socket 数量越多的时候，效率不会⼤幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数⽬也⾮常的多了，上限就为系统定义的进程打开的最⼤⽂件描述符个数。因⽽，epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。

epoll 仅适用于 Linux OS。

epoll 比 select 和 poll 更加灵活而且没有描述符数量限制。

epoll 对多线程编程更有友好，一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 select 和 poll 的不确定情况。

工作模式

epoll 的描述符事件有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。

1. LT 模式(水平触发)

当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。

以单线程速度见长的Redis使用的是水平触发.

2. ET 模式(边缘触发)

和 LT 模式不同的是，通知之后进程必须立即处理事件，下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。

很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

参考

• LT 模式下，读事件触发后，可以按需收取想要的字节数，不用把本次接收到的数据收取干净（即不用循环到 recv 或者 read 函数返回 -1，错误码为 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN）；ET 模式下，读事件必须把数据收取干净，因为你不一定有下一次机会再收取数据了，即使有机会，也可能存在上次没读完的数据没有及时处理，造成客户端响应延迟。
• LT 模式下，不需要写事件一定要及时移除，避免不必要的触发，浪费 CPU 资源；ET 模式下，写事件触发后，如果还需要下一次的写事件触发来驱动任务（例如发上次剩余的数据），你需要继续注册一次检测可写事件。
• LT 模式和 ET 模式各有优缺点，无所谓孰优孰劣。使用 LT 模式，我们可以自由决定每次收取多少字节（对于普通 socket）或何时接收连接（对于侦听 socket），但是可能会导致多次触发；使用 ET 模式，我们必须每次都要将数据收完（对于普通 socket）或必须理解调用 accept 接收连接（对于侦听socket），其优点是触发次数少。

LT和ET对比。

1. 采用水平触发(LT)，则需要同步的在事件触发后主动完成 I/O，并向上层代码直接提供 buffer。
2. 采用边沿触发(ET)，可选择只管理事件通知(如 go net 设计)，由上层代码完成 I/O 并管理 buffer。

LT需要主动IO，也是最常用的。两种方式各有优缺，netpoll 采用前者策略，水平触发时效性更好，容错率高，主动 I/O 可以集中内存使用和管理，提供 nocopy 操作并减少 GC。事实上一些热门开源网络库也是采用方式一的设计，如 easygo、evio、gnet 等。

应用场景

很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select 和 poll 都已经过时了，其实它们都有各自的使用场景。

1. select 应用场景

select 的 timeout 参数精度为 1ns，而 poll 和 epoll 为 1ms，因此 select 更加适用于实时要求更高的场景，比如核反应堆的控制。

select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。

2. poll 应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。

需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。

需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的，也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。

3. epoll 应用场景

只需要运行在 Linux 平台上，并且有非常大量的描述符需要同时轮询，而且这些连接最好是长连接。

参考资料

• Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.
• Boost application performance using asynchronous I/O
• Synchronous and Asynchronous I/O
• Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解
• poll vs select vs event-based
• select / poll / epoll: practical difference for system architects
• Browse the source code of userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/ online