IO模型
五種IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、信號驅(qū)動IO、IO多路轉(zhuǎn)接、異步IO。其中，前四個被稱為同步IO。
阻塞IO（blocking I/O BIO）
A拿著一支魚竿在河邊釣魚，并且一直在魚竿前等，在等的時候不做其他的事情，十分專心。只有魚上鉤的時，才結(jié)束掉等的動作，把魚釣上來。
在內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之前，系統(tǒng)調(diào)用會一直等待所有的套接字，默認(rèn)的是阻塞方式。
其實，我們例子中所說的魚竿就是這一個文件描述符。這個模型是我們最常見的，程序調(diào)用和我們編寫的基本程序是一致的。
fd=connect();
write(fd);
read(fd);
close(fd);
程序的read必須在write之后執(zhí)行，當(dāng)write阻塞住了，read就不能執(zhí)行下去，一直處于等待狀態(tài)。
非阻塞IO（noblocking I/O）
B也在河邊釣魚，但是B不想將自己的所有時間都花費在釣魚上，在等魚上鉤這個時間段中，B也在做其他的事情（一會看看書，一會讀讀報紙，一會又去看其他人的釣魚等），但B在做這些事情的時候，每隔一個固定的時間檢查魚是否上鉤。一旦檢查到有魚上鉤，就停下手中的事情，把魚釣上來。
其實，B在檢查魚竿是否有魚，是一個輪詢的過程。
每次客戶詢問內(nèi)核是否有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，即文件描述符緩沖區(qū)是否就緒。當(dāng)有數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好時，就進(jìn)行拷貝數(shù)據(jù)報的操作。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好時，也不阻塞程序，內(nèi)核直接返回未準(zhǔn)備就緒的信號，等待用戶程序的下一個輪尋。
但是，輪尋對于CPU來說是較大的浪費，一般只有在特定的場景下才使用。
信號驅(qū)動IO（signal blocking I/O）
C也在河邊釣魚，但與A、B不同的是，C比較聰明，他給魚竿上掛一個鈴鐺，當(dāng)有魚上鉤的時候，這個鈴鐺就會被碰響，C就會將魚釣上來。
信號驅(qū)動IO模型，應(yīng)用進(jìn)程告訴內(nèi)核：當(dāng)數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好的時候，給我發(fā)送一個信號，對SIGIO信號進(jìn)行捕捉，并且調(diào)用我的信號處理函數(shù)來獲取數(shù)據(jù)報。
IO多路復(fù)用（I/O multiplexing）
D同樣也在河邊釣魚，但是D生活水平比較好，D拿了很多的魚竿，一次性有很多魚竿在等，D不斷的查看每個魚竿是否有魚上鉤。增加了效率，減少了等待的時間。
IO多路轉(zhuǎn)接是多了一個select函數(shù)，select函數(shù)有一個參數(shù)是文件描述符集合，對這些文件描述符進(jìn)行循環(huán)監(jiān)聽，當(dāng)某個文件描述符就緒時，就對這個文件描述符進(jìn)行處理。
其中，select只負(fù)責(zé)等，recvfrom只負(fù)責(zé)拷貝。
IO多路轉(zhuǎn)接是屬于阻塞IO，但可以對多個文件描述符進(jìn)行阻塞監(jiān)聽，所以效率較阻塞IO的高。
異步IO（asynchronous I/O）
E也想釣魚，但E有事情，于是他雇來了F，讓F幫他等待魚上鉤，一旦有魚上鉤，F(xiàn)就打電話給E，E就會將魚釣上去。
當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用aio_read時，內(nèi)核一方面去取數(shù)據(jù)報內(nèi)容返回，另一方面將程序控制權(quán)還給應(yīng)用進(jìn)程，應(yīng)用進(jìn)程繼續(xù)處理其他事情，是一種非阻塞的狀態(tài)。
當(dāng)內(nèi)核中有數(shù)據(jù)報就緒時，由內(nèi)核將數(shù)據(jù)報拷貝到應(yīng)用程序中，返回aio_read中定義好的函數(shù)處理程序。
很少有Linux系統(tǒng)支持，Windows的IOCP就是該模型。
可以看出，阻塞程度：阻塞IO>非阻塞IO>多路轉(zhuǎn)接IO>信號驅(qū)動IO>異步IO，效率是由低到高的。
select、poll、epoll之間的區(qū)別
select==>時間復(fù)雜度O(n)
它僅僅知道了，有I/O事件發(fā)生了，卻并不知道是哪那幾個流（可能有一個，多個，甚至全部），我們只能無差別輪詢所有流，找出能讀出數(shù)據(jù)，或者寫入數(shù)據(jù)的流，對他們進(jìn)行操作。所以select具有O(n)的無差別輪詢復(fù)雜度，同時處理的流越多，無差別輪詢時間就越長。poll==>時間復(fù)雜度O(n)
poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個fd對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)， 但是它沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的.epoll==>時間復(fù)雜度O(1)
epoll可以理解為event poll，不同于忙輪詢和無差別輪詢，epoll會把哪個流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們。所以我們說epoll實際上是事件驅(qū)動（每個事件關(guān)聯(lián)上fd）的，此時我們對這些流的操作都是有意義的。（復(fù)雜度降低到了O(1)）
select，poll，epoll都是IO多路復(fù)用的機(jī)制。I/O多路復(fù)用就通過一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。但select，poll，epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因為他們都需要在讀寫事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的，而異步I/O則無需自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，異步I/O的實現(xiàn)會負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。
epoll跟select都能提供多路I/O復(fù)用的解決方案。在現(xiàn)在的Linux內(nèi)核里有都能夠支持，其中epoll是Linux所特有，而select則應(yīng)該是POSIX所規(guī)定，一般操作系統(tǒng)均有實現(xiàn)
select：
select本質(zhì)上是通過設(shè)置或者檢查存放fd標(biāo)志位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行下一步處理。這樣所帶來的缺點是：
單個進(jìn)程可監(jiān)視的fd數(shù)量被限制，即能監(jiān)聽端口的大小有限。
一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位機(jī)默認(rèn)是1024個。64位機(jī)默認(rèn)是2048.對socket進(jìn)行掃描時是線性掃描，即采用輪詢的方法，效率較低：
當(dāng)套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調(diào)度,不管哪個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字注冊某個回調(diào)函數(shù)，當(dāng)他們活躍時，自動完成相關(guān)操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。
3、需要維護(hù)一個用來存放大量fd的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣會使得用戶空間和內(nèi)核空間在傳遞該結(jié)構(gòu)時復(fù)制開銷大
poll：
poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個fd對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，如果設(shè)備就緒則在設(shè)備等待隊列中加入一項并繼續(xù)遍歷，如果遍歷完所有fd后沒有發(fā)現(xiàn)就緒設(shè)備，則掛起當(dāng)前進(jìn)程，直到設(shè)備就緒或者主動超時，被喚醒后它又要再次遍歷fd。這個過程經(jīng)歷了多次無謂的遍歷。
它沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的，但是同樣有一個缺點：
1、大量的fd的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核地址空間之間，而不管這樣的復(fù)制是不是有意義。
2、poll還有一個特點是“水平觸發(fā)”，如果報告了fd后，沒有被處理，那么下次poll時會再次報告該fd。
epoll:
epoll有EPOLLLT和EPOLLET兩種觸發(fā)模式，LT是默認(rèn)的模式，ET是“高速”模式。LT模式下，只要這個fd還有數(shù)據(jù)可讀，每次 epoll_wait都會返回它的事件，提醒用戶程序去操作，而在ET（邊緣觸發(fā)）模式中，它只會提示一次，直到下次再有數(shù)據(jù)流入之前都不會再提示了，無 論fd中是否還有數(shù)據(jù)可讀。所以在ET模式下，read一個fd的時候一定要把它的buffer讀光，也就是說一直讀到read的返回值小于請求值，或者 遇到EAGAIN錯誤。還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll_ctl注冊fd，一旦該fd就緒，內(nèi)核就會采用類似callback的回調(diào)機(jī)制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。
epoll為什么要有EPOLLET觸發(fā)模式？
如果采用EPOLLLT模式的話，系統(tǒng)中一旦有大量你不需要讀寫的就緒文件描述符，它們每次調(diào)用epoll_wait都會返回，這樣會大大降低處理程序檢索自己關(guān)心的就緒文件描述符的效率.。而采用EPOLLET這種邊沿觸發(fā)模式的話，當(dāng)被監(jiān)控的文件描述符上有可讀寫事件發(fā)生時，epoll_wait()會通知處理程序去讀寫。如果這次沒有把數(shù)據(jù)全部讀寫完(如讀寫緩沖區(qū)太小)，那么下次調(diào)用epoll_wait()時，它不會通知你，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現(xiàn)第二次可讀寫事件才會通知你?。?！這種模式比水平觸發(fā)效率高，系統(tǒng)不會充斥大量你不關(guān)心的就緒文件描述符
epoll的優(yōu)點：
1、沒有最大并發(fā)連接的限制，能打開的FD的上限遠(yuǎn)大于1024（1G的內(nèi)存上能監(jiān)聽約10萬個端口）；
2、效率提升，不是輪詢的方式，不會隨著FD數(shù)目的增加效率下降。只有活躍可用的FD才會調(diào)用callback函數(shù)；
即Epoll最大的優(yōu)點就在于它只管你“活躍”的連接，而跟連接總數(shù)無關(guān)，因此在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，Epoll的效率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于select和poll。
epoll并沒有使用mmap
select、poll、epoll 區(qū)別總結(jié)：
1、支持一個進(jìn)程所能打開的最大連接數(shù)
select
單個進(jìn)程所能打開的最大連接數(shù)有FD_SETSIZE宏定義，其大小是32個整數(shù)的大?。ㄔ?2位的機(jī)器上，大小就是3232，同理64位機(jī)器上FD_SETSIZE為3264），當(dāng)然我們可以對進(jìn)行修改，然后重新編譯內(nèi)核，但是性能可能會受到影響，這需要進(jìn)一步的測試。poll
poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，但是它沒有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的epoll
雖然連接數(shù)有上限，但是很大，1G內(nèi)存的機(jī)器上可以打開10萬左右的連接，2G內(nèi)存的機(jī)器可以打開20萬左右的連接
2、FD劇增后帶來的IO效率問題
select
因為每次調(diào)用時都會對連接進(jìn)行線性遍歷，所以隨著FD的增加會造成遍歷速度慢的“線性下降性能問題”。poll
同上epoll
因為epoll內(nèi)核中實現(xiàn)是根據(jù)每個fd上的callback函數(shù)來實現(xiàn)的，只有活躍的socket才會主動調(diào)用callback，所以在活躍socket較少的情況下，使用epoll沒有前面兩者的線性下降的性能問題，但是所有socket都很活躍的情況下，可能會有性能問題。
3、 消息傳遞方式
select
內(nèi)核需要將消息傳遞到用戶空間，都需要內(nèi)核拷貝動作poll
同上epoll
epoll通過內(nèi)核和用戶空間共享一塊內(nèi)存來實現(xiàn)的。
總結(jié)：
綜上，在選擇select，poll，epoll時要根據(jù)具體的使用場合以及這三種方式的自身特點。
表面上看epoll的性能最好，但是在連接數(shù)少并且連接都十分活躍的情況下，select和poll的性能可能比epoll好，畢竟epoll的通知機(jī)制需要很多函數(shù)回調(diào)。
select低效是因為每次它都需要輪詢。但低效也是相對的，視情況而定，也可通過良好的設(shè)計改善
select的幾大缺點：
（1）每次調(diào)用select，都需要把fd集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，這個開銷在fd很多時會很大
（2）同時每次調(diào)用select都需要在內(nèi)核遍歷傳遞進(jìn)來的所有fd，這個開銷在fd很多時也很大
（3）select支持的文件描述符數(shù)量太小了，默認(rèn)是1024
2 poll實現(xiàn)
poll的實現(xiàn)和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結(jié)構(gòu)而不是select的fd_set結(jié)構(gòu)，其他的都差不多,管理多個描述符也是進(jìn)行輪詢，根據(jù)描述符的狀態(tài)進(jìn)行處理，但是poll沒有最大文件描述符數(shù)量的限制。poll和select同樣存在一個缺點就是，包含大量文件描述符的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核的地址空間之間，而不論這些文件描述符是否就緒，它的開銷隨著文件描述符數(shù)量的增加而線性增大。
3、epoll
epoll既然是對select和poll的改進(jìn)，就應(yīng)該能避免上述的三個缺點。那epoll都是怎么解決的呢？在此之前，我們先看一下epoll和select和poll的調(diào)用接口上的不同，select和poll都只提供了一個函數(shù)——select或者poll函數(shù)。而epoll提供了三個函數(shù)，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是創(chuàng)建一個epoll句柄；epoll_ctl是注冊要監(jiān)聽的事件類型；epoll_wait則是等待事件的產(chǎn)生。
對于第一個缺點，epoll的解決方案在epoll_ctl函數(shù)中。每次注冊新的事件到epoll句柄中時（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會把所有的fd拷貝進(jìn)內(nèi)核，而不是在epoll_wait的時候重復(fù)拷貝。epoll保證了每個fd在整個過程中只會拷貝一次。
對于第二個缺點，epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把current輪流加入fd對應(yīng)的設(shè)備等待隊列中，而只在epoll_ctl時把current掛一遍（這一遍必不可少）并為每個fd指定一個回調(diào)函數(shù)，當(dāng)設(shè)備就緒，喚醒等待隊列上的等待者時，就會調(diào)用這個回調(diào)函數(shù)，而這個回調(diào)函數(shù)會把就緒的fd加入一個就緒鏈表）。epoll_wait的工作實際上就是在這個就緒鏈表中查看有沒有就緒的fd（利用schedule_timeout()實現(xiàn)睡一會，判斷一會的效果，和select實現(xiàn)中的第7步是類似的）。
對于第三個缺點，epoll沒有這個限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數(shù)目，這個數(shù)字一般遠(yuǎn)大于2048,舉個例子,在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大。
總結(jié)：
（1）select，poll實現(xiàn)需要自己不斷輪詢所有fd集合，直到設(shè)備就緒，期間可能要睡眠和喚醒多次交替。而epoll其實也需要調(diào)用epoll_wait不斷輪詢就緒鏈表，期間也可能多次睡眠和喚醒交替，但是它是設(shè)備就緒時，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把就緒fd放入就緒鏈表中，并喚醒在epoll_wait中進(jìn)入睡眠的進(jìn)程。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時候要遍歷整個fd集合，而epoll在“醒著”的時候只要判斷一下就緒鏈表是否為空就行了，這節(jié)省了大量的CPU時間。這就是回調(diào)機(jī)制帶來的性能提升。
（2）select，poll每次調(diào)用都要把fd集合從用戶態(tài)往內(nèi)核態(tài)拷貝一次，并且要把current往設(shè)備等待隊列中掛一次，而epoll只要一次拷貝，而且把current往等待隊列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開始，注意這里的等待隊列并不是設(shè)備等待隊列，只是一個epoll內(nèi)部定義的等待隊列）。這也能節(jié)省不少的開銷。
