阻塞、非阻塞、异步、同步以及select/poll和epoll

来源:互联网 发布:linux android 模拟器 编辑:程序博客网 时间:2022/10/05 06:26
针对IO,总是涉及到阻塞、非阻塞、异步、同步以及select/poll和epoll的一些描述,那么这些东西到底是什么,有什么差异?

一般来讲一个IO分为两个阶段:
  1. 等待数据到达
  2. 把数据从内核空间拷贝到用户空间

现在假设一个进程/线程A,试图进行一次IO操作。
  • A发出IO请求,两种情况:
      1)立即返回
      2)由于数据未准备好,需要等待,让出CPU给别的线程,自己sleep
      第一种情况就是非阻塞,A为了知道数据是否准备好,需要不停的询问,而在轮询的空歇期,理论上是可以干点别的活,例如喝喝茶、泡个妞。
      第二种情况就是阻塞,A除了等待就不能做任何事情。
  • 数据终于准备好了,A现在要把数据取回去,有几种做法:  1)A自己把数据从内核空间拷贝到用户空间。
      2)A创建一个新线程(或者直接使用内核线程),这个新线程把数据从内核空间拷贝到用户空间。
      第一种情况,所有的事情都是同一个线程做,叫做同步,有同步阻塞(BIO)、同步非阻塞(NIO)
      第二种情况,叫做异步,只有异步非阻塞(AIO)


    同步阻塞:

      同一个线程在IO时一直阻塞,直到读取数据成功,把数据从核心空间拷贝到用户空间

      

      

    同步非阻塞:

      同一个线程发起IO后,立即获得返回,后面定期轮询数据读取情况,发现数据读取成功,把数据从核心空间拷贝到用户空间


     

      异步非阻塞:

      一个线程发起IO后,立即返回,由另外的线程发现数据读取成功,把数据从核心空间拷贝到用户空间。


      


    下面说一下多路复用:select/poll、epoll

    • select是几乎所有unix、linux都支持的一种多路IO方式,通过select函数发出IO请求后,线程阻塞,一直到数据准备完毕,然后才能把数据从核心空间拷贝到用户空间,所以select是同步阻塞方式。
        int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
      参数n表示监控的所有fd中最大值+1
      readfds、writefds和exceptfds分别表示可读、可写、异常的文件句柄,这个文件句柄中每一个bit表示一个文件fd,所以能够表示的最大文件数和fd_set的长度有关,

        假设fd_set的长度为1字节(即8bit),则可以表示8个可读文件、8个可写文件、8个异常文件句柄。下面以读文件为例:

        使用select的时候,先初始化FD_ZERO(fd_set *set),把8bit全部置为0,readfds=00000000
        使用FD_SET(int fd, fd_set *set)来把文件fd设置到fd_set中,例如3个文件fd=2,fd=3,fd=5,则readfds=00010110
        然后使用select(6, readfds, 0, 0, 0)阻塞等待,若此时fd=2文件可读,则此时readfds=00000010(fd=5和fd=3对应的bit被清0)
        使用FD_ISSET(int fd, fd_set *set)函数来判断fd对应的bit是否为1,如果为1则可读。


    • poll对select的使用方法进行了一些改进,突破了最大文件数的限制,同时使用更加方便一些。
      int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout);
      struct pollfd {
          int fd;           /* 对应的文件描述符 */
          short events;     /* 要监听的事件,例如POLLIN|POLLPRI */
          short revents;    /* 返回的事件,用于在poll返回时携带该fd上发生的事情,在poll调用时,该字段会自动被清空 */
      };

      通过poll函数发出IO请求后,线程阻塞,直到数据准备完毕,poll函数在pollfd中通过revents字段返回事件,然后线程把数据从核心空间拷贝到用户空间,

      所以poll同样是同步阻塞方式,性能同select相比没有改进。


    • epoll是linux为了解决select/poll的性能问题而新搞出来的机制,基本的思路是:由专门的内核线程来不停地扫描fd列表,有结果后,把结果放到fd相关的链表中,
      用户线程只需要定期从该fd对应的链表中读取事件就可以了。同时,为了节省把数据从核心空间拷贝到用户空间的消耗,采用了mmap的方式,允许程序在用户空间直接访问数据所在的内核空间,不需要把数据copy一份。

      epoll一共有3个函数:

      1.创建epoll文件描述符
      int epoll_create(int size);

      2.把需要监听的文件fd和事件加入到epoll文件描述符,也可以对已有的fd进行修改和删除
      文件fd保存在一个红黑树中,该fd的事件保存在一个链表中(每个fd一个事件链表),事件由内核线程负责填充,用户线程读取
      int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
                  typedef union epoll_data {
                      void *ptr;
                      int fd;
                      __uint32_t u32;
                      __uint64_t u64;
                  } epoll_data_t;


                  struct epoll_event {
                      __uint32_t events;      /* Epoll events */
                      epoll_data_t data;      /* User data variable */
                  };

      3.用户线程定期轮询epoll文件描述符上的事件,事件发生后,读取事件对应的epoll_data,该结构中包含了文件fd和数据地址,由于采用了mmap,程序可以直接读取数据。
      int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

      有人把epoll这种方式叫做同步非阻塞(NIO),因为用户线程需要不停地轮询,自己读取数据,看上去好像只有一个线程在做事情
      也有人把这种方式叫做异步非阻塞(AIO),因为毕竟是内核线程负责扫描fd列表,并填充事件链表的
      个人认为真正理想的异步非阻塞,应该是内核线程填充事件链表后,主动通知用户线程,或者调用应用程序事先注册的回调函数来处理数据,如果还需要用户线程不停的轮询来获取事件信息,就不是太完美了,所以也有不少人认为epoll是伪AIO,还是有道理的。


      另外一个epoll的变化,是支持了边沿触发,以前select/poll中,每次遍历fd列表,发现fd可写、可读或异常后,就把bit置1(select)或返回对应事件(poll),
      而在epoll中,同样支持这种方式,每次fd可写、可读或异常后,就写入事件到事件链表中,还支持只在事件发生变化时才写入事件链表,例如如果事件一直是可读,则只在第一次写入链表
      业界把这两种方式分别叫做电平触发和边沿触发,像电信号(方波)一样,从高电平到低电平或低电平到高电平的“拐角”处的触发,叫做边沿触发,其他上下两个平面上的连续触发叫电平触发
      epoll支持电平触发(Level Triggered)和边沿触发(Edge Triggered),默认为电平触发
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