Linux I/O多路复用
Linux中一切皆文件,不论是我们存储在磁盘上的字符文件,可执行文件还是我们的接入电脑的I/O设备等都被VFS抽象成了文件,比如标准输入设备默认是键盘,我们在操作标准输入设备的时候,其实操作的是默认打开的一个文件描述符是0的文件,而一切软件操作硬件都需要通过OS,而OS操作一切硬件都需要相应的驱动程序,这个驱动程序里配置了这个硬件的相应配置和使用方法。Linux的I/O分为阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O多路复用,信号驱动I/O四种。对于I/O设备的驱动,一般都会提供关于阻塞和非阻塞两种配置。我们最常见的I/O设备之一–键盘(标准输入设备)的驱动程序默认是阻塞的。
多路复用就是为了使进程能够从多个阻塞I/O中获得自己想要的数据并继续执行接下来的任务。其主要的思路就是同时监视多个文件描述符,如果有文件描述符的设定状态的被触发,就继续执行进程,如果没有任何一个文件描述符的设定状态被触发,进程进入sleep
多路复用的一个主要用途就是实现”I/O多路复用并发服务器”,和多线程并发或者多进程并发相比,这种服务器的系统开销更低,更适合做web服务器。
阻塞I/O
阻塞I/O,就是当进程试图访问这个I/O设备而这个设备并没有准备好的时候,设备的驱动程序会通过内核让这个试图访问的进程进入sleep状态。阻塞I/O的一个好处就是可以大大的节约CPU时间,因为一旦一个进程试图访问一个没有准备好的阻塞I/O,就会进入sleep状态,而进入sleep状态的进程是不在内核的进程调度链表中,直到目标I/O准备好了将其唤醒并加入调度链表,这样就可以节约CPU时间。当然阻塞I/O也有其固有的缺点,如果进程试图访问一个阻塞I/O,但是否访问成功并不对接下来的任务有决定性影响,那么直接使其进入sleep状态显然会延误其任务的完成。
典型的默认阻塞IO有标准输入设备,socket设备,管道设备等,当我们使用gets(),scanf(),read()等操作请求这些IO时而IO并没有数据流入,就会造成进程的sleep。假设一个进程希望通过三个管道中任意一个中读取数据并显示,伪代码如下
由于管道是阻塞I/O,所以如果pipe_0没有数据流入,进程就是在第一个read()处进入sleep状态而即使pipe_1和pipe_2有数据流入也不会被读取。
如果我们使用下述代码重新设置管道的阻塞属性,显然,如果三个管道都没有数据流入,那么进程就无法获得请求的数据而继续执行,倘若这些数据很重要(所以我们才要用阻塞I/O),那结果就会十分的糟糕,改为轮询却又大量的占据CPU时间。int fl = fcntl(pipe_fd, F_GETFL);
fcntl(pipe_fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);如何让进程同时监视三个管道,其中一个有数据就继续执行而不会sleep,如果全部没有数据流入再sleep,就是多路复用技术需要解决的问题。
非阻塞I/O
非阻塞I/O就是当一个进程试图访问一个I/O设备的时候,无论是否从中获取了请求的数据都会返回并继续执行接下来的任务。,但非常适合请求是否成功对接下来的任务影响不大的I/O请求。但如果访问一个非阻塞I/O,但这个请求如果失败对进程接下来的任务有致命影响,最粗暴的就是使用while(1){read()}轮询。显然,这种方式会占用大量的CPU时间。
select机制
select是一种非常”古老”的同步I/O接口,但是提供了一种很好的I/O多路复用的思路
模型
Note:
select的第一个参数nfds是指集合中的最大的文件描述符+1,因为select会无差别遍历整个文件描述符表直到找到目标,而文件描述符是从0开始的,所以一共是集合中的最大的文件描述符+1次。
上一条导致了这种机制的低效,如果需要监视的文件描述符是0和100那么每一次都会遍历101次
select()每次返回都会修改fd_set,如果要循环select(),需要先对初始的fd_set进行备
例子_I/O多路复用并发服务器
关于server本身的编程模型,参见tcp/ip协议服务器模型和udp/ip协议服务器模型这里仅是使用select实现伪并行的部分模型
poll机制
poll是System V提出的一种基于select的改良机制,其针对select的诸多明显的缺陷进行了重新设计,包括只遍历被触发个数个文件描述符,不需要备份fd_set等等
模型
例子_I/O多路复用并发服务器
epoll
epoll在poll基础上实现的更为健壮的接口,也是现在主流的web服务器使用的多路复用技术,epoll一大特色就是支持EPOLLET(边沿触发)和EPOLLLT (水平触发),前者表示如果读取之后缓冲区还有数据,那么只要读取结束,剩余的数据也会丢弃,而后者表示里面的数据不会丢弃,下次读的时候还在,默认是EPOLLLT
模型
例子_I/O多路复用并发服务器
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