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1. The Big Picture——I/O 模型1.1 阻塞 I/O 模型1.2 非阻塞 I/O 模型1.3 I/O 多路复用1.4 信号驱动 I/O（了解）1.5 异步 I/O（了解）1.6 五种 I/O 模型对比2. select()3. 经典案例——聊天室归纳总结参考文章
前面几章我们完成了[基础篇]的学习，学习了 sockets 的基础 API。从这一章开始，我们就正式进入[性能篇]的学习。
网络程序很多时候都是在处理网络 I/O 事件。因此如何感知 I/O 事件，就成了网络编程的重中之重。在 Linux 系统中，我们有五种方式来感知 I/O 事件，也就是五种 I/O 模型。

1. The Big Picture——I/O 模型

这五种 I/O 模型分别是：
  • 阻塞 I/O
  • 非阻塞 I/O
  • I/O 多路复用（select，poll和epoll）
  • 信号驱动 I/O（SIGIO）
  • 异步 I/O（POSIX aio_等函数）
在具体讲这五种 I/O 模型之前，我们先来看一下读数据操作必须经历的两个阶段：
  1. 等待数据就绪（可能很漫长）
  1. 讲数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区。

1.1 阻塞 I/O 模型

阻塞 I/O 是最常见的，默认情况下所有的套接字都是阻塞的。到目前为止，我们用得都是阻塞 I/O。以recvfrom()为例，其模型如下图所示：
notion image
在等待数据以及拷贝数据的过程中，应用程序都处于阻塞状态。

1.2 非阻塞 I/O 模型

非阻塞 I/O 和阻塞 I/O 的区别是，如果数据没有就绪，非阻塞 I/O 会立即返回（不会陷入阻塞），并返回错误EAGAIN或EWOULDBLOCK。
notion image
应用程序不断询问内核数据是否就绪，这种方式我们称之为轮询（polling）。轮询的方式非常消耗 CPU 资源。

1.3 I/O 多路复用

当使用 I/O 多路复用时，我们可能会阻塞在select，poll和epoll等系统调用，而不会阻塞在真正的 I/O 读写操作上。
notion image
I/O 多路复用强大的地方在于，它可以一次性监视很多个文件描述符。只要其中有一个文件描述符就绪，select等函数就会返回。接下来的 I/O 读写操作就不会阻塞了。
💬
阻塞 I/O + 多线程 阻塞 I/O + 多线程的方式，非常类似 I/O 多路复用。一个线程负责一个文件描述符的读写操作，就算这个线程阻塞了，其它线程依然可以正常工作。不过这种方式会消耗比较多的资源。

1.4 信号驱动 I/O（了解）

我们也可以使用SIGIO信号，告诉内核：当 I/O 事件就绪时就通知应用程序，然后由应用程序去处理 I/O 事件。这种模型我们称之为信号驱动 I/O 模型。
notion image
💬
信号驱动 I/O 一般用得很少，因为它引入了复杂的信号机制，增加了程序的不确定性。

1.5 异步 I/O（了解）

异步 I/O 和信号驱动 I/O 不同。异步 I/O 会让内核拷贝数据，当数据拷贝完成后再通知应用程序；而信号驱动 I/O，仅仅是让内核通知数据就绪，然后由应用程序自己拷贝数据。
notion image
📢
Linux 对异步 I/O 的支持 aio_系列函数是 POSIX 定义的异步 I/O 接口。遗憾的是，Linux 下的aio_操作并不是操作系统级别的，它是 GNU libc 在用户空间借由 pthread 库实现的；而且它仅仅支持磁盘 I/O，不支持套接字 I/O。 这也是为什么在 Linux 平台上，我们一般都是使用epoll+非阻塞 I/O 来构建高性能高并发网络程序的根本原因。

1.6 五种 I/O 模型对比

如下图所示，前四种 I/O 模型都需要应用程序自己拷贝数据（同步 I/O），它们的不同之处仅在于等待数据阶段。而异步 I/O 和前四种都不同，等待数据和拷贝数据都由内核完成，应用程序在这两个阶段都不会阻塞。
notion image

2. select()

接下来，我们重点学习一下 I/O 多路复用模型。首先，我们来看一下select()函数：
参数说明
nfds: 它的值应该设置为三个集合中，最大的文件描述符加 1。（目的是告诉内核，我们监听文件描述符的上限）。
readfds: 读集合。传入的时候，集合中是所有要监视读事件的文件描述符；传出的时候，集合中是所有读事件已经就绪的文件描述符。
writefds: 写集合。传入的时候，集合中是所有要监视写事件的文件描述符；传出的时候，集合中是所有写事件已经就绪的文件描述符。
exceptfds: 异常集合。传入的时候，集合中是所有要监视异常事件的文件描述符；传出的时候，集合中是所有有异常事件发生的文件描述符。
timeout: 超时时间，精度为微秒。传入的时候，表示超时时间；传出的时候，表示还剩多少时间。如果timeout为NULL，表示无限期阻塞；如果timeout的两个字段都为 0，则表示立马返回，不阻塞。
fd_set几乎都是用位图实现的，并且我们提供了四个宏函数用于操作这些集合：
好，到这儿select()的理论部分，我们就学习完了。接下来，我们来构建一个经典的聊天室案例，来看一下在实际应用中，是如何使用select()的。

3. 经典案例——聊天室

这是一个多人聊天室服务器：
  • 准许多人同时进入到聊天室，也允许任何人随时退出聊天室。
  • 发送的消息会同时转发给聊天室的其他成员。

归纳总结

这一章，我们讲了以下内容：
  • 五种 I/O 模型——重点理解阻塞 I/O，非阻塞 I/O，以及 I/O 多路复用。
  • select()——select是 I/O 多路复用的一种方式，也是本章的重点。几乎各个平台都支持select()函数。
  • 最后，我们构建了经典的聊天室案例。通过这个案列，希望大家掌握select()的用法，以及 I/O 多路复用的使用场景。

参考文章

  • UNIX Network Programming, Volume 1: The Sockets Networking API, 3rd Edition
 
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