Linux IO 模型

更多 Java IO & NIO方面的文章，请参见文集《Java IO & NIO》

缓冲区

缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用，当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

几个基本概念

同步 IO VS 异步 IO 的区别：

同步 IO：数据访问的时候进程会阻塞
异步 IO：数据访问的时候进程不会阻塞

阻塞 IO 和非阻塞 IO 的区别：

阻塞 IO：应用程序的调用不会立即返回
非阻塞 IO：应用程序的调用会立即返回

同步 IO 包括：

阻塞 IO Blocking IO
非阻塞 IO NonBlocking IO
多路复用 IO Multiplexing IO
信号驱动 IO Signal Driven IO

阻塞 IO Blocking IO

Linux 下默认所有的 Socket 都是阻塞 IO

阻塞 IO 分为两个步骤：

步骤 1. 等待数据准备，拷贝到 OS 内核缓存区（该过程中应用程序进程都会被阻塞）
步骤 2. 从 OS 内核缓存区拷贝到应用程序的地址空间（该过程中应用程序进程都会被阻塞）

基本步骤如下，其中包括一次系统调用 recvfrom：

Blocking IO

非阻塞 IO NonBlocking IO

可以将 Socket 设置为非阻塞 IO，例如 Java NIO 中可以设置 SocketChannel：channel.configureBlocking(false);

在上述步骤 1 等待数据的过程中，应用程序进程不会被阻塞，而是不断询问 OS 内核数据有没有准备好：

如果数据没有准备好，OS 内核返回一个 error，应用程序进程过一段时间再次询问（该过程中应用程序进程不会被阻塞）
如果数据已经准备好，则进入上述步骤 2，将数据从 OS 内核缓存区拷贝到应用程序的地址空间（该过程中应用程序进程都会被阻塞）

基本步骤如下，其中包括多次系统调用 recvfrom：

NonBlocking IO

多路复用 IO Multiplexing IO

单个进程可以同时处理多个网络连接的 IO，即监听多个端口的 IO
适用于连接数很高的情况
实现方式：select，poll，epoll 系统调用
- 注册多个端口的监听 Socket，比如 8080，8081
- 当用户进程调用 select 方法后，整个用户进程被阻塞，OS 内核会监听所有注册的 Socket
- 当任何一个端口的 Socket 中的数据准备好了（ 8080 或者 8081），select 方法就会返回
- 随后用户进程再调用 read 操作，将数据从 OS 内核缓存区拷贝到应用程序的地址空间。
多路复用 IO 类似于多线程结合阻塞 IO
- 要实现监听多个端口的 IO，还可以通过多线程的方式，每一个线程负责监听一个端口的 IO
- 如果处理的连接数不是很高的话，使用多路复用 IO 不一定比使用 多线程结合阻塞 IO 的服务器性能更好，可能延迟还更大
- 多路复用 IO 的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接

多路复用 IO Multiplexing IO 的优点：

对于耗时短的处理场景高效
OS 可以在多个事件源上等待，避免多线程结合阻塞 IO 方式带来的复杂度及性能开销
事务分离，将与应用无关的多路分解和分配机制与应用相关的回调函数分离开

多路复用 IO Multiplexing IO 的缺点：

处理耗时长的操作会造成事务分发的阻塞，影响后续事件的处理。

基本步骤如下，其中包括两次系统调用 select 和 recvfrom：

Multiplexing IO

具体的使用，可以参见 Java NIO Buffer, Channel 及 Selector 中所述的 Selector 选择器。

异步 IO Asynchronous IO

异步 IO 用的很少。

用户进程发起异步 read 操作后，OS 内核立即返回，用户进程不会阻塞，而是去做其他事情。
OS 内核等待数据准备好，随后将数据从 OS 内核缓存区拷贝到应用程序的地址空间，随后给用户进程发送一个信号，用户进程接着处理数据。

select 及 epoll

阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。
非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了，我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。

为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做 select 的代理，后来又有一位叫做 poll 的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流：

while true {
    select(streams[]) // 当前线程阻塞
    for i in streams[] { // 轮询一遍所有的流
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

但是依然有个问题，我们从 select 那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。
在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：

epoll_create：创建一个epoll对象，一般 epollfd = epoll_create()
epoll_ctl ：往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件，比如：
- epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN); 有缓冲区内有数据时epoll_wait返回
- epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT); 缓冲区可写入时 epoll_wait返回
epoll_wait(epollfd,...) ：等待直到注册的事件发生

一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd) // 当前线程阻塞
    for i in active_stream[] { // epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们
        read or write till unavailable
    }
}

引用：
我读过的最好的epoll讲解（转）