五种系统IO模型，深入剖析select/poll/epoll原理及使用教程

前言

在计算机系统中，IO（Input/Output）操作是不可或缺的组成部分。IO操作是指计算机与外部设备（如磁盘、网络、键盘等）进行数据交换的过程。IO模型是操作系统用来管理和处理IO操作的一种机制。不同的IO模型具有不同的工作原理、优缺点和适用场景。

五种IO模型

阻塞IO

阻塞IO是最简单、最基本的IO模型。在阻塞IO模型中，当应用程序发出IO请求后，应用程序会被阻塞，直到IO操作完成。这意味着应用程序在等待IO操作完成期间无法执行其他任务。阻塞IO模型的优点是实现简单，并且不需要额外的系统调用。然而，阻塞IO模型的缺点也很明显：应用程序容易被IO操作阻塞，从而降低应用程序的性能。

非阻塞IO

非阻塞IO模型与阻塞IO模型相反。在非阻塞IO模型中，当应用程序发出IO请求后，应用程序不会被阻塞，而是立即返回。这意味着应用程序可以继续执行其他任务，而不必等待IO操作完成。当IO操作完成后，应用程序可以通过轮询或回调机制来获取IO操作的结果。非阻塞IO模型的优点是应用程序不会被IO操作阻塞，从而提高应用程序的性能。然而，非阻塞IO模型的缺点是实现复杂，并且需要额外的系统调用。

IO多路复用

IO多路复用模型是一种可以同时处理多个IO操作的IO模型。在IO多路复用模型中，应用程序通过一个select()或poll()系统调用来注册多个IO操作。当其中一个IO操作完成时，应用程序可以通过select()或poll()系统调用来获取完成的IO操作。IO多路复用模型的优点是应用程序可以同时处理多个IO操作，从而提高应用程序的性能。然而，IO多路复用模型的缺点是实现复杂，并且需要额外的系统调用。

信号驱动IO

信号驱动IO模型是一种基于信号的IO模型。在信号驱动IO模型中，应用程序通过sigaction()系统调用来注册一个信号处理函数。当IO操作完成时，操作系统会向应用程序发送一个信号。应用程序通过信号处理函数来处理完成的IO操作。信号驱动IO模型的优点是实现简单，并且不需要额外的系统调用。然而，信号驱动IO模型的缺点是应用程序需要处理信号，这可能会导致应用程序的代码变得复杂。

异步IO

异步IO模型是一种基于事件的IO模型。在异步IO模型中，应用程序通过一个aio_read()或aio_write()系统调用来发出IO请求。当IO操作完成时，操作系统会向应用程序发送一个事件。应用程序通过事件处理函数来处理完成的IO操作。异步IO模型的优点是应用程序可以同时处理多个IO操作，并且不会被IO操作阻塞。然而，异步IO模型的缺点是实现复杂，并且需要额外的系统调用。

Select/Poll/Epoll原理与使用教程

select/poll/epoll都是IO多路复用模型的实现。它们的工作原理都是通过一个系统调用来注册多个IO操作，当其中一个IO操作完成时，通过该系统调用来获取完成的IO操作。

select()系统调用是IO多路复用模型最早的实现。它可以通过一个select()系统调用来注册多个IO操作，当其中一个IO操作完成时，通过select()系统调用来获取完成的IO操作。select()系统调用有以下三个参数：

• readfds：要监听的可读文件符集合
• writefds：要监听的可写文件符集合
• exceptfds：要监听的异常文件描述符集合

poll()系统调用是select()系统调用的改进版本。它可以通过一个poll()系统调用来注册多个IO操作，当其中一个IO操作完成时，通过poll()系统调用来获取完成的IO操作。poll()系统调用有以下两个参数：

• fds：要监听的文件描述符数组
• nfds：要监听的文件描述符数量

epoll()系统调用是select()和poll()系统调用的又一个改进版本。它可以通过一个epoll_create()系统调用来创建一个epoll实例，然后通过epoll_ctl()系统调用向epoll实例中添加或删除文件描述符。当其中一个文件描述符上有IO操作完成时，通过epoll_wait()系统调用来获取完成的IO操作。epoll()系统调用有以下三个参数：

• epfd：epoll实例的文件描述符
• events：要监听的事件类型
• maxevents：要监听的最大事件数

select/poll/epoll这三种IO多路复用模型的性能对比如下：

IO多路复用模型	优点	缺点
select	实现简单	可扩展性差
poll	可扩展性好	实现复杂
epoll	性能最好	实现最复杂

Reactor模式

Reactor模式是一种设计模式，它可以将IO多路复用模型与事件驱动编程相结合，以构建高性能网络服务器。Reactor模式的主要思想是使用一个Reactor线程来监听多个IO操作，当其中一个IO操作完成时，Reactor线程将该IO操作分发给相应的处理线程。处理线程负责处理完成的IO操作，并将处理结果返回给Reactor线程。Reactor模式的优点是它可以提高网络服务器的性能，并且可以轻松地扩展网络服务器的并发能力。

总结

在本文中，我们深入探讨了五种系统IO模型，包括阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO和异步IO。我们了解了每种模型的工作原理，它们的优缺点，以及它们在不同场景下的适用性。此外，我们重点介绍了select/poll/epoll这三种IO多路复用模型，并提供了详细的原理介绍和使用教程。最后，我们介绍了Reactor模式，并探讨了如何将IO多路复用模型与Reactor模式结合使用以构建高性能网络服务器。相信通过本文的学习，您将对系统IO模型和Reactor模式有更加深入的理解。