I/O 多路复用

阻塞IO

阻塞 I/O，是指进程发起调用后，会被挂起（阻塞），直到收到数据再返回。
如果调用一直不返回，进程就会一直被挂起。因此，当使用阻塞 I/O 时，需要使用多线程来处理多个文件描述符。

从图中可以看出，从kernel到user操作都被阻塞住了，在Java中，FileInputStream, FileOutputStream以及对Socket的读写
都是基于阻塞IO模型。

非阻塞IO

非阻塞 I/O 不会将进程挂起，调用时会立即返回成功或错误，因此可以在一个线程里轮询多个文件描述符是否就绪。
但是非阻塞 I/O 的缺点是：每次发起系统调用，只能检查一个文件描述符是否就绪。当文件描述符很多时，系统调用的成本很高。

IO多路复用

I/O 多路复用，可以通过一次系统调用，检查多个文件描述符的状态。这是 I/O 多路复用的主要优点，
相比于非阻塞 I/O，在文件描述符较多的场景下，避免了频繁的用户态和内核态的切换，减少了系统调用的开销。

I/O 多路复用相当于将「遍历所有文件描述符、通过非阻塞 I/O 查看其是否就绪」的过程从用户线程移到了内核中，
由内核来负责轮询。

进程可以通过 select、poll、epoll 发起 I/O 多路复用的系统调用，
这些系统调用都是同步阻塞的：如果传入的多个文件描述符中，有任何描述符就绪，则返回就绪的描述符；
否则如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞时长超过设置的 timeout 后再返回。
I/O 多路复用内部使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。

IO多路复用和阻塞IO的区别：

1. I/O 多路复用引入了一些额外的操作和开销，比如要调用2次system call
2. 用户可以在一个线程内同时处理多个 I/O 请求，而阻塞IO一个线程只能处理一个请求

select

select函数

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

readfds、writefds、errorfds 是三个文件描述符集合, select会分别监听并复值给这三个参数

// 返回fd，一个连接对应一个fd
int socket(int domain, int type, int protocol)

socket的核心源码

主要的源码解释：

1. 先声明一个 fd_set 类型的变量 readFDs, fd_set是文件描述符的集合
2. 调用 FD_ZERO，将 readFDs 所有位 置0
3. 调用 FD_SET，将 readFDs 感兴趣的位 置1，表示要监听这几个文件描述符
4. 将 readFDs 传给 select，调用 select
5. select 会将 readFDs 中就绪的位 置1，未就绪的位 置0，返回就绪的文件描述符的数量
6. 当 select 返回后，调用 FD_ISSET 检测给定位是否为 1，表示对应文件描述符是否就绪
   比如进程想监听 1、2、5 这三个文件描述符，就将 readFDs 设置为 00010011，然后调用 select。
   如果 fd=1、fd=2 就绪，而 fd=5 未就绪，select 会将 readFDs 设置为 00000011 并返回 2。
7. 如果每个文件描述符都未就绪，select 会阻塞 timeout 时长，再返回。这期间，如果 readFDs 监听的某个文件描述符上发生可读事件，则 select 会将对应位置 1，并立即返回。

select的缺点：

1. 性能开销大
   • 调用 select 时会陷入内核，这时需要将参数中的 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间
   • 内核需要遍历传递进来的所有 fd_set 的每一位，不管它们是否就绪
2. 同时能够监听的文件描述符数量太少。受限于 sizeof(fd_set) 的大小，在编译内核时就确定了且无法更改。一般是 1024，不同的操作系统不相同

poll

poll 和 select 几乎没有区别, 不过在内核会转为链表方式存储，没有最大数量的限制。

epoll

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。

简而言之，epoll 有以下几个特点：

1. 使用红黑树存储文件描述符集合
2. 使用队列存储就绪的文件描述符
3. 每个文件描述符只需在添加时传入一次；通过事件更改文件描述符状态
4. select、poll 模型都只使用一个函数，而 epoll 模型使用三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。

epoll 实例内部存储：

• 监听列表：所有要监听的文件描述符，使用红黑树
• 就绪列表：所有就绪的文件描述符，使用链表

对于“文件描述符数量少”，select 使用整型数组存储文件描述符集合，而 epoll 使用红黑树存储，数量较大。

对于“性能开销大”，epoll_ctl 中为每个文件描述符指定了回调函数，并在就绪时将其加入到就绪列表，因此 epoll 不需要像 select 那样遍历检测每个文件描述符，只需要判断就绪列表是否为空即可。这样，在没有描述符就绪时，epoll 能更早地让出系统资源。

三者对比

1. select：调用开销大（需要复制集合）；集合大小有限制；需要遍历整个集合找到就绪的描述符
2. poll：采用链表的方式存储文件描述符，没有最大存储数量的限制，其他方面和 select 没有区别
3. epoll：调用开销小（不需要复制）；集合大小无限制；采用回调机制，不需要遍历整个集合

异步IO

异步IO就是在内核中完成操作，完成才通知到客户端