简介

任何一个程序都离不开IO，有些是很显著的IO，比方文件的读写，也有一些是不显著的IO,比方网络数据的传输等。那么这些IO都有那些模式呢？咱们在应用中应该如何抉择呢？高级的IO模型kqueue和epoll是怎么工作的呢？一起来看看吧。

block IO和nonblocking IO

大家先来理解一下IO模型中最简略的两个模型:阻塞IO和非阻塞IO。

比方咱们有多个线程要从一个Socket server中读取数据，那么这个读取过程其实能够分成两个局部，第一局部是期待socket的数据筹备结束，第二局部是读取对应的数据进行业务解决。对于阻塞IO来说，它的工作流程是这样的：

  1. 一个线程期待socket通道数据筹备结束。
  2. 当数据筹备结束之后，线程进行程序处理。
  3. 其余线程期待第一个线程完结之后，持续上述流程。

为什么叫做阻塞IO呢？这是因为当一个线程正在执行的过程中，其余线程只能期待,也就是说这个IO被阻塞了。

什么叫做非阻塞IO呢？

还是下面的例子，如果在非阻塞IO中它的工作流程是这样的：

  1. 一个线程尝试读取socket的数据。
  2. 如果socket中数据没有筹备好，那么立刻返回。
  3. 线程持续尝试读取socket的数据。
  4. 如果socket中的数据筹备好了，那么这个线程继续执行后续的程序处理步骤。

为什么叫做非阻塞IO呢？这是因为线程如果查问到socket没有数据，就会立即返回。并不会将这个socket的IO操作阻塞。

从下面的剖析能够看到，尽管非阻塞IO不会阻塞Socket，然而因为它会始终轮询Socket，所以并不会开释Socket。

IO多路复用和select

IO多路复用有很多种模型，select是最为常见的一种。实时不论是netty还是JAVA的NIO应用的都是select模型。

select模型是怎么工作的呢？

事实上select模型和非阻塞IO有点类似，不同的是select模型中有一个独自的线程专门用来查看socket中的数据是否就绪。如果发现数据曾经就绪，select能够通过之前注册的事件处理器，抉择告诉具体的某一个数据处理线程。

这样的益处是尽管select这个线程自身是阻塞的，然而其余用来真正解决数据的线程却是非阻塞的。并且一个select线程其实能够用来监控多个socket连贯，从而进步了IO的解决效率，因而select模型被利用在多个场合中。

为了更加具体的理解select的原理，咱们来看一下unix下的select办法：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *errorfds, struct timeval *timeout);

先来解释一下这几个参数的含意，咱们晓得unix零碎中，所有的对象都是文件，所以这里的fd示意的就是file descriptor ,也就是文件描述符。

fds示意的是 file descriptor sets，也就是文件描述符汇合。

nfds是一个整数值，示意的是文件描述符汇合中最大值+1.

readfds是要查看的文件读取的描述符汇合。

writefds是要查看的文件写入的描述符汇合。

errorfds是要查看的文件异样描述符汇合。

timeout是超时工夫，示意的是期待抉择实现的最大距离。

其工作原理是轮询所有的file descriptors,而后找到要监控的那些文件描述符，

poll

poll和select类很相似，只是形容fd汇合的形式不同. poll次要是用在POSIX零碎中。

epoll

实时上，select和poll尽管都是多路复用IO，然而他们都有些毛病。而epoll和kqueue就是对他们的优化。

epoll是linux零碎中的系统命令，能够将其看做是event poll。首次是在linux外围的2.5.44版本引入的。

次要用来监控多个file descriptors其中的IO是否ready。

对于传统的select和poll来说，因为须要一直的遍历所有的file descriptors，所以每一次的select的执行效率是O(n) ,然而对于epoll来说，这个工夫能够晋升到O(1)。

这是因为epoll会在具体的监控事件产生的时候触发告诉，所以不须要应用像select这样的轮询，其效率会更高。

epoll 应用红黑树 (RB-tree) 数据结构来跟踪以后正在监督的所有文件描述符。

epoll有三个api函数:

int epoll_create1(int flags);

用来创立一个epoll对象，并且返回它的file descriptor。传入的flags能够用来管制epoll的体现。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

这个办法用来对epoll进行管制，能够用来监控具体哪些file descriptor和哪些事件。

这里的op能够是ADD, MODIFY 或者 DELETE。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epoll_wait用来监听应用epoll_ctl办法注册的事件。

epoll提供了两种触发模式，别离是 edge-triggered 和 level-triggered。

如果一个应用epoll注册的pipe收到了数据，那么调用epoll_wait将会返回，示意存在要读取的数据。然而在level-triggered模式下，只有管道的缓冲区蕴含要读取的数据，对 epoll_wait的调用将立刻返回。然而在level-triggered模式下，epoll_wait 只会在新数据写入管道后返回。

kqueue

kqueue和epoll一样，都是用来替换select和poll的。不同的是kqueue被用在FreeBSD,NetBSD, OpenBSD, DragonFly BSD, 和 macOS中。

kqueue 不仅可能解决文件描述符事件，还能够用于各种其余告诉，例如文件批改监督、信号、异步 I/O 事件 (AIO)、子过程状态更改监督和反对纳秒级分辨率的计时器，此外kqueue提供了一种形式除了内核提供的事件之外，还能够应用用户定义的事件。

kqueue提供了两个API，第一个是构建kqueue：

int kqueue(void);

第二个是创立kevent:

int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges, struct kevent *eventlist, int nevents, const struct timespec *timeout);

kevent中的第一个参数是要注册的kqueue，changelist是要监督的事件列表，nchanges示意要监听事件的长度，eventlist是kevent返回的事件列表,nevents示意要返回事件列表的长度，最初一个参数是timeout。

除此之外，kqueue还有一个用来初始化kevent构造体的EV_SET宏：

EV_SET(&kev, ident, filter, flags, fflags, data, udata);

epoll和kqueue的劣势

epoll和kqueue之所以比select和poll更加高级， 是因为他们充分利用操作系统底层的性能，对于操作系统来说，数据什么时候ready是必定晓得的，通过向操作系统注册对应的事件，能够防止select的轮询操作，晋升操作效率。

要留神的是，epoll和kqueue须要底层操作系统的反对,在应用的时候肯定要留神对应的native libraries反对。

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