【运维面试题】谈谈对IO多路复用的理解

什么是IO？什么是多路？

IO： 在操作系统中，数据在内核态和用户态之间的读写操作。
大部分情况下指的是网络IO。

多路： 大部分情况下指多个TCP连接（多个Socket或者多个Channel）

什么是IO多路复用？

一种同步的IO模型，可以实现一个线程监视多个文件句柄。
一但某个文件句柄就绪，就能够通知到对应的应用程序进行相应的读写操作。
没有文件句柄就绪时就会阻塞应用程序，从而释放cpu资源。

简单点说：一个或者多个线程处理多个TCP连接，尽可能的减少系统的开销，而无需创建和维护过多的进程或线程。

IO多路复用模型

select模型

基本原理： 采用轮询加遍历的方式。
在客户端操作服务器时，会创建3种文件描述符(写描述符、读描述符、异常描述符)。select会阻塞监视这三种文件描述符，等到有数据可读、可写或者出异常时，都会返回。返回后通过遍历fdset来找到就绪的fd，然后去触发相应的IO操作

优点： 跨平台支持性好，几乎在所有的平台上支持
缺点： 随着FD数量的增加，性能下降。每次调用select方法的时候都需要把FD集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历。
OS对单个进程打开的FD数量是有限的，一般默认是1024个。虽然能够通过操作系统的宏定义FD_SETSIZE来修改FD数量的限制，但是再IO吞吐量巨大的情况下，效率提升仍然有限

#######缺点总结######

1.采用线性遍历的方式获取可用的fd文件描述符
2.可维护文件描述符大小有限制为1024
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poll模型

基本原理： 采用轮询加遍历的方式。
poll模型采用的是链表方式来存储FD。

优点： 没有最大的fd数量限制
缺点： 同select。采用轮询方式来进行全盘扫描，随着fd数量增多而导致性能下降

epoll模型

基本原理： 采用时间通知机制来触发相关IO操作的。
没有fd个数的限制，而且从用户态拷贝到内核态只需要一次。因为主要是通过调用系统底层的函数实现注册、激活fd，大大提高了性能

调用函数

epoll_create()函数：在系统启动的时候，会在linux内核里面去申请一个B+树结构的文件系统，然后在返回epoll对象（fd对象）
epoll_ctl()函数：它会在每新建一个连接的时候，会同步更新epoll对象中的FD，并且会绑定一个callback回调函数。
epoll_wait()函数：它会轮询所有的callback集合，并且去触发对应的IO操作。
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优点： 将轮询改成了回调，大大提高了CPU的执行效率；
没有fd数量的限制，也不会随着fd数量的增加而导致效率下降；
能支持的fd上限是os的最大文件句柄数（一般1G内存能支持10w个句柄），在分布式系统中常用的组件是redis、nginx
缺点： 只能在Linux下工作

#######优点总结######

1.每当fd就绪，系统采用回调函数将fd放入就绪列表，效率非常高。
2.最大连接数没有限制
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