一. 談信號驅(qū)動IO (對比異步IO來看)

信號驅(qū)動IO 對比 異步 IO進行理解

信號驅(qū)動IO: 內(nèi)核將數(shù)據(jù)準備好的時候, 使用SIGIO信號通知應(yīng)用程序進行IO操作

通知應(yīng)用程序處理IO, 是開始處理IO, 這個時候還是存在阻塞的，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝進入到用戶態(tài)的過程至少是阻塞住的 (應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)的過程是阻塞等待的, 和異步IO的區(qū)別) (此處是區(qū)分信號驅(qū)動IO和異步IO的關(guān)鍵所在)

信號驅(qū)動IO, 我們提前在信號集合中設(shè)置好IO信號等待， 注冊好對應(yīng)的IO處理函數(shù) handler，IO數(shù)據(jù)準備就緒后，會遞交SIGIO信號，通知應(yīng)用程序中斷然后開始進行對應(yīng)的IO處理邏輯. 但是通知處理IO的時候存在將數(shù)據(jù)從 內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的過程，(而異步IO是數(shù)據(jù)拷貝完成之后內(nèi)核再通知應(yīng)用程序直接開始處理， 應(yīng)用程序直接處理，不需要拷貝數(shù)據(jù)阻塞等待)

異步IO: 由內(nèi)核在數(shù)據(jù)拷貝完成時, 通知應(yīng)用程序(而信號驅(qū)動是告訴應(yīng)用程序何時可以開始拷貝數(shù)據(jù))

真正的做到了完完全全的非阻塞，發(fā)起aio_read之后應(yīng)用程序立即可以去做其他的事情了. 調(diào)用了aio_read之后會立即進行返回繼續(xù)向下執(zhí)行應(yīng)用程序，由kernel內(nèi)核進行等待數(shù)據(jù)準備，只有當數(shù)據(jù)準備好了且拷貝到來用戶空間，一切完成后，kernel給應(yīng)用程序發(fā)送一個signal，告知它read完成了, 沒有任何的阻塞，你直接處理就是

異步IO由于它不會對用戶進程，應(yīng)用程序產(chǎn)生任何的阻塞，所以他對于高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實現(xiàn)至關(guān)緊要.

小結(jié)：

• 任何IO操作都是存在 等待數(shù)據(jù)準備完成 和 將 數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)兩個過程的
• 兩個過程中等待數(shù)據(jù)消耗的時間一般遠超于拷貝數(shù)據(jù)所花費的時間，所以一般我們進行IO的優(yōu)化，都是想辦法盡量降低等待時間
• 所以信號驅(qū)動IO 因為是通知開始處理數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝進入到用戶態(tài) (數(shù)據(jù)拷貝阻塞等待) 和異步IO的區(qū)別
• 異步IO 是完全不存在應(yīng)用程序的阻塞等待，平時應(yīng)用程序干自己的事情，當數(shù)據(jù)完全準備好了 (數(shù)據(jù) 完成了拷貝 )，直接通知應(yīng)用程序回調(diào)處理數(shù)據(jù)
• 所以我們之前介紹的 blocking io non-blocking io io multiplexing (IO多路復(fù)用) 本質(zhì)上都是屬于 synchronous IO （同步IO） 都是存在有阻塞的，有人說不對吧: 哪 non-blocking IO 呢? 非阻塞IO僅僅只是在數(shù)據(jù)準備階段上來說是非阻塞的，數(shù)據(jù)沒準備好立馬返回，可是數(shù)據(jù)拷貝階段還是阻塞住的，所以本質(zhì)還是同步IO. (大大的狡猾，忘記了阻塞除了準備數(shù)據(jù)的時候存在，拷貝數(shù)據(jù)也是阻塞住的)
• 只有異步IO asynchronous 是完全做到了整個過程非阻塞的 , 當進程發(fā)起IO操作之后，就直接返回再也不必理睬，直kernel 發(fā)送一個信號，告訴進程說IO完成(涵蓋數(shù)據(jù)拷貝完成), 在這個過程中，是完全避免了阻塞進程了的

UDP + SIGIO信號注冊模擬實現(xiàn)一下信號驅(qū)動IO

流程：

1、注冊SIGIO的處理函數(shù) (回調(diào)函數(shù))

2、設(shè)置該套接口的屬主，通常使用fcntl的F_SETOWN命令設(shè)置

3、開啟該套接口的信號驅(qū)動I/O，通常使用fcntl的F_SETFL命令打開O_ASYNC標志完成

實現(xiàn)代碼 (簡單的信號驅(qū)動服務(wù)端)

客戶端代碼：

二. 生活的角度理解select poll epoll三種IO多路復(fù)用技術(shù)的工作模式

生活實例理解select 和 poll 工作原理

先抽象一個具體的場景出來：

假如說有這樣一家餐廳。 一桌餐對應(yīng)著一個服務(wù)員 (生活化IO事件)，服務(wù)員只是負責(zé)服務(wù)，這個時候老板需要安排一個 (跑堂伙計 管理收集服務(wù)員獲取的服務(wù)信息)

select 便是這個跑堂伙計了

由于服務(wù)事件的類型可能不盡相同：所以跑堂伙計 開始的時候帶著三個本子，分別記錄不同的事件類型

select(ionum, rfds, wfds, efds, timeout);

rfds: 讀事件集合 wfds寫事件集合 efds異常事件集合

ionum = maxfd + 1; fds {0, 1, 2, 3, 4 .....} fdsnum = maxfd + 1；

以上是一個生活中的一個小小栗子便于理解 select 工作模式，實際實現(xiàn)存在部分偏差

對應(yīng)真實情景： select 之后是內(nèi)核檢測IO事件的發(fā)生，內(nèi)核輪詢所有的fd，內(nèi)核重新設(shè)置底層的 fd_set ：傳入內(nèi)核的時候 （內(nèi)核如果知曉fd是否需要監(jiān)視???） FD_SET： 然后內(nèi)核會對于傳入進去的fd_set 進行重新覆蓋，沒有IO事件發(fā)生的就像FD_CLR一樣 將對應(yīng)集合位圖 位置上標記為0 有IO事件發(fā)生的就將對應(yīng)位圖位置標記為1 這樣回到用戶態(tài)之后從新進行輪詢所有的 fd 就可以根據(jù)內(nèi)核從新標記的發(fā)生IO事件的 位 來處理IO (select 內(nèi)核 用戶態(tài)兩次輪詢) 定時輪詢，效率低下

poll的本質(zhì)還是輪詢。只不過破除了位圖的限制，采取結(jié)構(gòu)體存儲IO事件，將三個本子合成一個本子了，而且破除了位圖限制之后可以使用鏈式結(jié)構(gòu)連接所有事件的結(jié)構(gòu)體，沒有了最大監(jiān)視IO事件的限制了 （位圖的fd_set的話大小是由內(nèi)核開始確定的，如果修改大小比較麻煩，所以是存在fdnum上的限制的）

poll 雖然理論上是沒有了fdnum的限制了，但是隨著fd的數(shù)量上升到一定程度，性能會急劇下降

生活理解epoll工作原理

還是先抽象場景出來：

存在這樣一個小區(qū)的管理，小區(qū)里面很多的用戶都存在寄快遞的需求，每一次需要寄出快遞的時候大家都統(tǒng)一的放入門衛(wèi)室里面

快遞員每一次來收取快遞的時候不再需要挨家挨戶的詢問，收取，而是直接去門衛(wèi)室將所有的快遞放進自己的車子中帶走處理即可 (門衛(wèi)室相當于是readylist，不再需要輪詢所有的IO事件是否發(fā)生，提高了效率)

epoll_wait就是這個快遞員：

epoll_wait(管理的小區(qū), 快遞員存儲快遞包裹的容器, 容器可以容納的快遞數(shù)目，定時);

epoll_wait(epfd, events, eventscap, timeout);

epoll_create(size); //早期size標識最大居民數(shù)目，現(xiàn)在已經(jīng)沒有限制了，只有0和1的區(qū)別了, 因為可以進行鏈式存儲，也就沒有容量限制這一說了

epoll_ctl(管理的小區(qū), 小區(qū)居民搬入搬出修改的不同行為，新搬入居民的信息(標識), 描述需要寄出快遞的類型信息 );

epoll_ctl(epfd, op, fd, event); //epfd， epoll句柄，底層是紅黑樹 op：作何操作， fd : IO事件句柄， event：IO事件類型 (功能，向IO事件監(jiān)視的紅黑樹上掛載新的監(jiān)視IO事件，或者是刪除監(jiān)視，或者是修改監(jiān)視事件類型)

epoll對比poll select優(yōu)勢出現(xiàn)小結(jié)：

將監(jiān)視IO事件進行提前注冊，掛載在內(nèi)核的監(jiān)視IO事件紅黑樹上，每一次調(diào)用epoll_wait 獲取IO觸發(fā)事件的時候不再需要傳入待檢測IO的事件，接口分離，功能分離，而且內(nèi)核中采取了使用就緒隊列存儲紅黑樹上發(fā)生的IO事件結(jié)點的方式，這樣每一次僅僅需要將就緒隊列從內(nèi)核中拷貝至用戶空間拿取事件即可。。。

readylist放置觸發(fā)IO事件, 使其不需要輪詢獲知IO觸發(fā)的事件了， 提前注冊掛載監(jiān)視IO事件結(jié)點到紅黑樹上，也使得不需要每一次都從新拷貝監(jiān)視事件進入內(nèi)核空間，降低了拷貝消耗， 正是由于epoll的這兩點優(yōu)勢好處使其成為穩(wěn)定高效的多路復(fù)用技術(shù)，在高并發(fā)服務(wù)器的設(shè)計中隨處可見epoll的身影

三. 細談一下epoll的ET和LT

ET : edge tigger邊沿觸發(fā) LT : level tigger水平觸發(fā)

簡單理解一下兩種觸發(fā)模式:

LT : 指的是 內(nèi)核recv_buffer緩沖區(qū)中存在數(shù)據(jù)就一直會進行觸發(fā)，處理數(shù)據(jù), 讀事件一直觸發(fā). 或者是 內(nèi)核send_buffer緩沖區(qū)沒有滿，就一直觸發(fā)寫事件. 直到寫滿send_buffer

ET : 指的是緩沖區(qū)狀態(tài)發(fā)生變化之后引發(fā)觸發(fā)，而且核心關(guān)鍵，僅僅只會觸發(fā)一次 (邊沿觸發(fā))

接收緩沖區(qū)recv_buffer 發(fā)生變化，數(shù)據(jù)從無到有，會觸發(fā)一次讀事件，核心，不論一次是否可以將數(shù)據(jù)完全處理，都只會觸發(fā)一次

或者發(fā)送緩沖區(qū)send_buffer狀態(tài)發(fā)生變化，也會觸發(fā)寫事件 (核心關(guān)鍵還在于觸發(fā)一次)

上述的觸發(fā)都指的是對于 epoll_wait 的觸發(fā).

總結(jié)：針對便于理解的讀事件的觸發(fā), recv_buffer來理解, 如果說recv_buffer中有數(shù)據(jù)，如果是LT 就會不斷地不停地觸發(fā)， 如果是ET, 不管數(shù)據(jù)能不能處理完，都僅僅只會觸發(fā)一次

光說不練是假把式，我們還是來一個實際地案例來解釋一下:

如上是使用ET地時候點一下地結(jié)果，沒有設(shè)置非阻塞哈，結(jié)果是啥，我發(fā)送了這么一段話，它僅僅只是觸發(fā)了一次，打印了一個Hello, why ? 我故意將緩沖區(qū)設(shè)置如此小，緩沖區(qū)狀態(tài)改變，但是最多緩沖區(qū)僅僅存儲5個數(shù)據(jù)，全發(fā)送了，后面再次循環(huán)過來，不觸發(fā)了我去

如果需要一直觸發(fā)直到recv_buffer內(nèi)核緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，咋辦。使用LT水平觸發(fā)，如何設(shè)置，easy默認就是呀

我僅僅只是做了如此一個小小改動，默認LT觸發(fā)，讓我們康康效果

點了一次發(fā)送，他就一直觸發(fā)，直到recv_buffer中沒了數(shù)據(jù)

四. 總結(jié)本文

• 本文主要還是進行了IO地理解實戰(zhàn)， 信號驅(qū)動IO 異步IO究竟區(qū)別在哪里?
• 異步IO 是完全不存在任何地應(yīng)用程序掛起等待地， 其他哪些IO多多少少要么數(shù)據(jù)準備階段要么數(shù)據(jù)拷貝階段存在掛起等待阻塞
• 然后就是IO多路復(fù)用地生活化理解精進
• 最終介紹分析了epoll地ET 和 LT問題，這個超級重要好吧。大塊數(shù)據(jù)使用 LT一次讀，小塊數(shù)據(jù)使用ET + 循環(huán)讀(設(shè)置非阻塞) 出自大佬地結(jié)論
• LT: 水平觸發(fā)，recv_buffer內(nèi)核緩沖區(qū)中存在數(shù)據(jù)，則讀事件一直不停地觸發(fā)
• ET : 邊沿觸發(fā)，recv_buffer中數(shù)據(jù)從無到有，狀態(tài)發(fā)生改變地時候進行觸發(fā)，且關(guān)鍵是僅僅只會觸發(fā)一次，不論你數(shù)據(jù)是不是一次可以讀完，都只是觸發(fā)一次