IO多路复用笔记

news2024/11/26 19:44:18

O多路复用是一种同步的IO模型。利用IO多路复用模型，可以实现一个线程监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知到对应应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时就会阻塞应用程序，从而释放出CPU资源。

一位工作5年的小伙伴面试时被问到IO相关的问题，说，谈谈你对IO多路复用机制的理解。当时他说只是听过多路复用，具体细节没有了解过。今天，我给大家分享一下我的理解。

1.IO多路复用

IO多路复用是一种同步的IO模型。利用IO多路复用模型，可以实现一个线程监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知到对应应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时就会阻塞应用程序，从而释放出CPU资源。

IO可以理解为，在操作系统中，数据在内核态和用户态之间的读、写操作，大部分情况下是指网络IO；

多路大部分情况下是指多个TCP连接，也就是多个Socket 或者多个Channel；

复用是指复用一个或多个线程资源。IO多路复用意思就是说，一个或多个线程处理多个 TCP 连接。尽可能地减少系统开销，无需创建和维护过多的进程/线程。

实现IO多路复用的模型有三种，分别是Select、poll 和 epoll。下面详细介绍一下三种多路复用模型的基本原理和优缺点：

2.select模型

select模型，它的基本原理是，采用轮询和遍历的方式。也就是说，在客户端操作服务器时，会创建三种文件描述符，简称FD。分别是writefds（写描述符）、readfds（读描述符）和 exceptfds（异常描述符）。

而select会阻塞监视这三种文件描述符，等有数据、可读、可写、出异常或超时都会返回；

返回后通过遍历fdset，也就是文件描述符的集合，来找到就绪的FD，然后，触发相应的IO操作。

它的优点是跨平台支持性好，几乎在所有的平台上支持。

它的缺点也很明显，由于select是采用轮询的方式进行全盘扫描，因此，随着FD数量增多而导致性能下降。

因此，每次调用select()方法，都需要把FD集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历。而操作系统对单个进程打开的FD数量是有限制的，一般默认是1024个。虽然，可以通过操作系统的宏定义FD_SETSIZE修改最大FD数量限制，但是，在IO吞吐量巨大的情况下，效率提升仍然有限。

3.poll模型

poll 模型的原理与select模型基本一致，也是采用轮询加遍历，唯一的区别就是 poll 采用链表的方式来存储FD。

所以，它的优点点是没有最大FD的数量限制。

它的缺点和select一样，也是采用轮询方式全盘扫描，同样也会随着FD数量增多而导致性能下降。

4.epoll模型

由于select和poll都会因为吞吐量增加而导致性能下降，因此，才出现了epoll模型。

epoll模型是采用时间通知机制来触发相关的IO操作。它没有FD个数限制，而且从用户态拷贝到内核态只需要一次。它主要通过系统底层的函数来注册、激活FD，从而触发相关的 IO 操作，这样大大提高了性能。主要是通过调用以下三个系统函数：

（1）epoll_create()函数，在系统启动时，会在Linux内核里面申请一个B+树结构的文件系统，然后，返回epoll对象，也是一个FD。

（2）epoll_ctl()函数，每新建一个连接的时候，会同步更新epoll对象中的FD，并且绑定一个 callback回调函数。

（3）epoll_wait()函数，轮询所有的callback集合，并触发对应的 IO 操作

所以，epoll模型最大的优点是将轮询改成了回调，大大提高了CPU执行效率，也不会随FD数量的增加而导致效率下降。当然，它也没有FD数量限制，也就是说，它能支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数。一般而言，1G 内存大概支持 10 万个句柄。分布式系统中常用的组件如Redis、Nginx都是优先采用epoll模型。