【go基础】16.I/O模型与网络轮询器netpoller_go中的多路io复用模型-CSDN博客
字节开源的netPoll多路复用器源码解析-CSDN博客
一、几种常见的IO模型
1. 阻塞I/O
(1) 解释：
用户调用如accept、read等系统调用，向内核发起I/O请求后，应用程序会从用户态陷入内核态。
内核会检查文件描述符fd是否就绪，如果没有数据准备就绪，内核就会挂起(阻塞)当前的线程。
当fd中数据就绪后，操作系统内核会将数据从内核空间拷贝到进程空间，并交回控制权。
(2) 缺点：
一个goroutine同一时刻只能处理一个流，无法解决多个IO请求问题
2. 非阻塞I/O
(1) 解释：
执行read和write 等I/O操作会立刻返回，然后应用程序不停轮询。读取时如果没有数据，会返回
EAGAIN或EWOULDBLOCK错误码。
(2) 缺点：
占用cpu资源，不停做无用的轮询操作
3. I/O多路复用模型
(1) 解释：
一个进程/线程处理多个I/O，内核同时监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪，通知程序进行相应的读写操作；如果没有文件句柄就绪，就阻塞应用程序，交出CPU。
(2) 缺点：无，基本符合需求。
4. 三种IO模型对比
目前epoll是linux大规模并发网络应用程序的首选。
大部分高性能的网络服务器使用的I/O复用模型均是epoll，比如nginx、redis、memcached等。
二、几种常见的IO模型 使用方法
以下模型的 IO 操作都是 使用阻塞的机制。
1、多线程
(1) 解释：
每accept到一个客户端后，都启动一个新的线程。存在多个线程。
(2) 优点： 简单。
(3) 缺点：
a. 占用内存资源，每个线程需要2M的栈空间；需要的线程很多，且频繁切换。
b. 长连接需要保持连接状态(心跳/健康检查)，进一步占用资源。
2、单线程 + 多路IO复用
(1) 解释：
一个线程 ，处理多个客户端。采用多路I/O复用机制(epoll) 监控多个fd的IO请求。
多个请求是依次执行的，fd1的请求完成了，才去处理fd2的请求。
(2) 优点： 只需要一个线程，节省资源。
(3) 缺点：同一时间只能处理一个客户端操作，会有排队延迟
3、单线程 + 多路IO复用 + 多线程处理业务
(1) 解释：
把逻辑任务分离到另外的线程池。
创建专门用于处理逻辑业务的线程池。
当有客户端消息到达，主线程完成io读操作后，将后续逻辑业务放入线程池的一个线程中执行，主线程继续监控IO请求。当线程执行完逻辑业务之后，将结果消息返回主线程，主线再发送给客户端。
(2) 优点： 将业务放到线程处理，减轻排队延迟。
(3) 缺点：IO 读写数据时的并发能力依然是1
4、单线程(只监听) + 多路IO复用 + 多线程处理业务和IO读写
(1) 解释：
在3的基础上，让线程池把 IO读写 和 业务 都处理了。
主线程只负责用来创建fd，每个线程负责监听多个客户端读写操作，以及后续逻辑业务。
使用例子： GO语言的 原生net 和 netpoll 采用的是这个模式。
(2) 优点：
a. 可以监听更多的fd，提升io读写的并发能力
b. 充分利用多核CPU
(3) 缺点：同一个线程内的多个客户端，依然是排队的
三、边缘触发和水平触发的区别
1. 水平触发(LT)： 若就绪的事件一次没有处理完，就会将没有处理完的事件继续放回到就绪队列之中，下一次可继续触发事件。
必须使用非阻塞模式。因为水平触发模式会将文件描述符一直读到返回 errno或EAGAIN，非阻塞模式下才会返回这个。 而阻塞模式下不会返回这个，所以会一直阻塞卡死。
2. 边缘触发(ET)：就绪的事件只能处理一次，需要一次过把数据读完。
若没有处理完，会在下次的其它事件就绪时再进行处理。
而若以后再也没有就绪的事件，剩余的那部分数据也会丢失。
四、Netpoll与原生GoNet对比
1. goroutine 上下文切换调度 压力
Go Net： 高并发时 切换压力大。 因为 GoNet只负责监听事件，不负责buff读写操作。读写操作是在用户的goroutine力执行的，执行时间比较长，需要更多的上下文切换。
NetPoll：高并发时 切换压力 小。 因为 NetPoll 会执行读写操作，用户的goroutine无需再进行buff读写，所以执行时间比较短，上下文切换比较少。
2. 内存消耗：
Go Net： 需要内存少。 因为GoNet只有一个事件循环，且不负责buff读写， 所以不需要太多内存。
NetPoll：需要内存多。因为 NetPoll 支持多个事件循环，并且需要负责buff读写，所以需要更多的内存。
3. 触发方式
Go Net：使用 边缘触发 ET。
NetPoll：使用 水平触发 LT。
4. Goroutine数目
Go Net：一个Goroutine下只有一个连接。
NetPoll：一个Goroutine下有多个连接。
5. 是否支持共用buff池，少拷贝一次数据。
Go Net：不支持。
NetPoll：支持。管理一个Buffer池直接交给用户，少拷贝一次。
五、原生网络库GoNet实现
1. 基本架构
原生网络库 基于epoll et模式开发，基本架构如下图所示:
2. goroutine的使用
每个 文件描述符 fd 对应一个 goroutine。
3. IO读写逻辑
业务方对 conn 发起主动的读写，用户层阻塞，底层使用非阻塞 IO。
当事件未就绪，将 fd 注册(epoll_ctl)进 epoll fd，通过把 goroutine 设置成等待状态。
当有就绪事件后，唤醒对应 goroutine 成执行状态，从内核拷贝数据到用户层，然后执行后续逻辑。
GoNet 负责事件监听，以及负责阻塞和唤醒对应goroutine
采用的是边缘触发，每次唤醒后，都需要一次读完。
Read接口非阻塞，读取n字节后就返回，上层可以控制从内核缓冲区去数据的速率。
4. 优劣势
优势： 创建连接后，由调用方决定何时进行读写，使用上相对方便。
劣势：
(1) 因为由调用方决定是否进行读写，假如调用方出问题一直不调用，会导致数据一直存在，占用内存。
(2) 一个连接对应一个goroutine，当连接非常多时，资源调度切换上有很大开销。
(3)不支持用户和内核共享buff，多一次buff拷贝。需要把数据从内核层拷贝到用户层，再拷贝到上层。
六、netpoll 设计思路
1. 基本架构
原生网络库 基于epoll lt模式 开发，基本架构如下图所示:
2. goroutine的使用
存在一个 poll对象池，每个poll对象带有一个epoll，和单独对应一个 goroutine。 goroutine数目和 poll对象数目一致，每个poll对象可以监听多个 文件描述符fd
3. IO读写逻辑
每个poll对象开启一个goroutine来不断轮询当前epoll上的可读可写等事件
每个epoll会关联多个fd，每个fd关联一个 Buffer。
当从 fd 监听到有可读事件后，会把数据读到 Buffer里。
不断轮询处理 Buffer 的数据，当发现数据读完整之后，通知后面的处理逻辑的协程池 GoPoll去执行
与内核的系统调用交互完全由netpoll控制，用户层对 Conn 的读写都只是在操作共用的Buffer而已。
4. 优劣势
优势： 支持高并发能力更强。
(1) 轮询处理Buffer的数据，不存在数据得不到处理的情况。
(2) 一个goroutine对应多个连接，即使连接非常多，资源调度切换上的开销也不大。
(3) 支持用户和内核共享buff，减少一次数据拷贝操作，提升效率。
劣势：需要占用更多的内存。
