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从阻塞 I/O 到 I/O 多路复用

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。

多线程切换有一定的开销,因此引入非阻塞 I/O。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。

因此引入了 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。使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。

如果 timeout 参数设为 NULL,会无限阻塞直到某个描述符就绪;如果 timeout 参数设为 0,会立即返回,不阻塞。

I/O 多路复用引入了一些额外的操作和开销,性能更差。但是好处是用户可以在一个线程内同时处理多个 I/O 请求。如果不采用 I/O 多路复用,则必须通过多线程的方式,每个线程处理一个 I/O 请求。后者线程切换也是有一定的开销的。这部分内容可以查看最下文 Redis 的线程模型

为什么 I/O 多路复用内部需要使用非阻塞 I/O

I/O 多路复用内部会遍历集合中的每个文件描述符,判断其是否就绪:

for fd in read_set
    if readable(fd) ) // 判断 fd 是否就绪
        count++
        FDSET(fd, &res_rset) // 将 fd 添加到就绪集合中
        break
...
return count

这里的 readable(fd) 就是一个非阻塞 I/O 调用。试想,如果这里使用阻塞 I/O,那么 fd 未就绪时,select 会阻塞在这个文件描述符上,无法检查下个文件描述符。

注意:这里说的是 I/O 多路复用的内部实现,而不是说,使用 I/O 多路复用就必须使用非阻塞 I/O,见下文为什么边缘触发必须使用非阻塞 I/O

select

函数签名与参数

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

readfdswritefdserrorfds 是三个文件描述符集合。select 会遍历每个集合的前 nfds 个描述符,分别找到可以读取、可以写入、发生错误的描述符,统称为“就绪”的描述符。然后用找到的子集替换参数中的对应集合,返回所有就绪描述符的总数。

timeout 参数表示调用 select 时的阻塞时长。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,或者阻塞超过设置的 timeout 后,返回。如果 timeout 参数设为 NULL,会无限阻塞直到某个描述符就绪;如果 timeout 参数设为 0,会立即返回,不阻塞。

什么是文件描述符 fd

文件描述符(file descriptor)是一个非负整数,从 0 开始。进程使用文件描述符来标识一个打开的文件。

系统为每一个进程维护了一个文件描述符表,表示该进程打开文件的记录表,而文件描述符实际上就是这张表的索引。当进程打开(open)或者新建(create)文件时,内核会在该进程的文件列表中新增一个表项,同时返回一个文件描述符 —— 也就是新增表项的下标。

一般来说,每个进程最多可以打开 64 个文件,fd ∈ 0~63。在不同系统上,最多允许打开的文件个数不同,Linux 2.4.22 强制规定最多不能超过 1,048,576。

每个进程默认都有 3 个文件描述符:0 (stdin)、1 (stdout)、2 (stderr)。

这篇文章以图示的方式对文件描述符作了深入地讲解,可以进一步阅读。

socket 与 fd 的关系

socket 是 Unix 中的术语。socket 可以用于同一台主机的不同进程间的通信,也可以用于不同主机间的通信。一个 socket 包含地址、类型和通信协议等信息,通过 socket() 函数创建:

int socket(int domain, int type, int protocol)

返回的就是这个 socket 对应的文件描述符 fd。操作系统将 socket 映射到进程的一个文件描述符上,进程就可以通过读写这个文件描述符来和远程主机通信。

可以这样理解:socket 是进程间通信规则的高层抽象,而 fd 提供的是底层的具体实现。socket 与 fd 是一一对应的。通过 socket 通信,实际上就是通过文件描述符 fd 读写文件。这也符合 Unix“一切皆文件”的哲学。

后面可以将 socket 和 fd 视为同义词。

fd_set 文件描述符集合

参数中的 fd_set 类型表示文件描述符的集合。

由于文件描述符 fd 是一个从 0 开始的无符号整数,所以可以使用 fd_set二进制每一位来表示一个文件描述符。某一位为 1,表示对应的文件描述符已就绪。比如比如设 fd_set 长度为 1 字节,则一个 fd_set 变量最大可以表示 8 个文件描述符。当 select 返回 fd_set = 00010011 时,表示文件描述符 125 已经就绪。

fd_set 的使用涉及以下几个 API:

#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);  // 将 fd_set 所有位置 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // 将 fd_set 某一位置 0
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);  // 将 fd_set 某一位置 1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检测 fd_set 某一位是否为 1

select 使用示例

下图的代码说明:

  1. 先声明一个 fd_set 类型的变量 readFDs
  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. 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. 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=1fd=2 就绪,而 fd=5 未就绪,select 会将 readFDs 设置为 00000011 并返回 2。

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。

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select 的缺点

  1. 性能开销大
    1. 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
    2. 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。poll 在用户态通过数组方式传递文件描述符,在内核会转为链表方式存储,没有最大数量的限制 (感谢 @LydiaCai1203@kingcanfish 指出)。

poll 的函数签名如下:

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

其中 fds 是一个 pollfd 结构体类型的数组,调用 poll() 时必须通过 nfds 指出数组 fds 的大小,即文件描述符的数量。详细描述见 manpage - poll(2)

从性能开销上看,poll 和 select 的差别不大。

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:

  • 使用红黑树存储文件描述符集合
  • 使用队列存储就绪的文件描述符
  • 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

select、poll 模型都只使用一个函数,而 epoll 模型使用三个函数:epoll_createepoll_ctlepoll_wait

epoll_create

int epoll_create(int size);

epoll_create 会创建一个 epoll 实例,同时返回一个引用该实例的文件描述符。

返回的文件描述符仅仅指向对应的 epoll 实例,并不表示真实的磁盘文件节点。其他 API 如 epoll_ctlepoll_wait 会使用这个文件描述符来操作相应的 epoll 实例。

当创建好 epoll 句柄后,它会占用一个 fd 值,在 linux 下查看 /proc/进程id/fd/,就能够看到这个 fd。所以在使用完 epoll 后,必须调用 close(epfd) 关闭对应的文件描述符,否则可能导致 fd 被耗尽。当指向同一个 epoll 实例的所有文件描述符都被关闭后,操作系统会销毁这个 epoll 实例。

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

epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll_ctl 会监听文件描述符 fd 上发生的 event 事件。

参数说明:

  • epfdepoll_create 返回的文件描述符,指向一个 epoll 实例
  • fd 表示要监听的目标文件描述符
  • event 表示要监听的事件(可读、可写、发送错误…)
  • op 表示要对 fd 执行的操作,有以下几种:
    • EPOLL_CTL_ADD:为 fd 添加一个监听事件 event
    • EPOLL_CTL_MOD:Change the event event associated with the target file descriptor fd(event 是一个结构体变量,这相当于变量 event 本身没变,但是更改了其内部字段的值)
    • EPOLL_CTL_DEL:删除 fd 的所有监听事件,这种情况下 event 参数没用

返回值 0 或 -1,表示上述操作成功与否。

epoll_ctl 会将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例的监听列表里,同时为 fd 设置一个回调函数,并监听事件 event。当 fd 上发生相应事件时,会调用回调函数,将 fd 添加到 epoll 实例的就绪队列上。

epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
               int maxevents, int timeout);

这是 epoll 模型的主要函数,功能相当于 select

参数说明:

  • epfdepoll_create 返回的文件描述符,指向一个 epoll 实例
  • events 是一个数组,保存就绪状态的文件描述符,其空间由调用者负责申请
  • maxevents 指定 events 的大小
  • timeout 类似于 select 中的 timeout。如果没有文件描述符就绪,即就绪队列为空,则 epoll_wait 会阻塞 timeout 毫秒。如果 timeout 设为 -1,则 epoll_wait 会一直阻塞,直到有文件描述符就绪;如果 timeout 设为 0,则 epoll_wait 会立即返回

返回值表示 events 中存储的就绪描述符个数,最大不超过 maxevents

epoll 的优点

一开始说,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。

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。

相当于时间复杂度从 O(n) 降为 O(1)

此外,每次调用 select 时都需要向内核拷贝所有要监听的描述符集合,而 epoll 对于每个描述符,只需要在 epoll_ctl 传递一次,之后 epoll_wait 不需要再次传递。这也大大提高了效率。

水平触发、边缘触发

select 只支持水平触发,epoll 支持水平触发和边缘触发。

水平触发(LT,Level Trigger):当文件描述符就绪时,会触发通知,如果用户程序没有一次性把数据读/写完,下次还会发出可读/可写信号进行通知。

边缘触发(ET,Edge Trigger):仅当描述符从未就绪变为就绪时,通知一次,之后不会再通知。

区别:边缘触发效率更高,减少了事件被重复触发的次数,函数不会返回大量用户程序可能不需要的文件描述符。

水平触发、边缘触发的名称来源:数字电路当中的电位水平,高低电平切换瞬间的触发动作叫边缘触发,而处于高电平的触发动作叫做水平触发。

为什么边缘触发必须使用非阻塞 I/O?

关于这个问题的解答,强烈建议阅读这篇文章。下面是一些关键摘要:

  • 每次通过 read 系统调用读取数据时,最多只能读取缓冲区大小的字节数;如果某个文件描述符一次性收到的数据超过了缓冲区的大小,那么需要对其 read 多次才能全部读取完毕
  • select 可以使用阻塞 I/O。通过 select 获取到所有可读的文件描述符后,遍历每个文件描述符,read 一次数据(见上文 select 示例
    • 这些文件描述符都是可读的,因此即使 read 是阻塞 I/O,也一定可以读到数据,不会一直阻塞下去
    • select 采用水平触发模式,因此如果第一次 read 没有读取完全部数据,那么下次调用 select 时依然会返回这个文件描述符,可以再次 read
    • select 也可以使用非阻塞 I/O。当遍历某个可读文件描述符时,使用 for 循环调用 read 多次,直到读取完所有数据为止(返回 EWOULDBLOCK)。这样做会多一次 read 调用,但可以减少调用 select 的次数
  • epoll 的边缘触发模式下,只会在文件描述符的可读/可写状态发生切换时,才会收到操作系统的通知
    • 因此,如果使用 epoll边缘触发模式,在收到通知时,必须使用非阻塞 I/O,并且必须循环调用 readwrite 多次,直到返回 EWOULDBLOCK 为止,然后再调用 epoll_wait 等待操作系统的下一次通知
    • 如果没有一次性读/写完所有数据,那么在操作系统看来这个文件描述符的状态没有发生改变,将不会再发起通知,调用 epoll_wait 会使得该文件描述符一直等待下去,服务端也会一直等待客户端的响应,业务流程无法走完
    • 这样做的好处是每次调用 epoll_wait 都是有效的——保证数据全部读写完毕了,等待下次通知。在水平触发模式下,如果调用 epoll_wait 时数据没有读/写完毕,会直接返回,再次通知。因此边缘触发能显著减少事件被触发的次数
    • 为什么 epoll边缘触发模式不能使用阻塞 I/O?很显然,边缘触发模式需要循环读/写一个文件描述符的所有数据。如果使用阻塞 I/O,那么一定会在最后一次调用(没有数据可读/写)时阻塞,导致无法正常结束

三者对比

  • 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
  • poll:poll 采用数组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
  • 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

selectpoll 都是在用户态维护文件描述符集合,因此每次需要将完整集合传给内核;epoll 由操作系统在内核中维护文件描述符集合,因此只需要在创建的时候传入文件描述符。

此外 select 只支持水平触发,epoll 支持边缘触发。

适用场景

当连接数较多并且有很多的不活跃连接时,epoll 的效率比其它两者高很多。当连接数较少并且都十分活跃的情况下,由于 epoll 需要很多回调,因此性能可能低于其它两者。

Redis 的线程模型

Redis 是一个单线程的工作模型,使用 I/O 多路复用来处理客户端的多个连接。为什么 Redis 选择单线程也能效率这么高?

I/O 设备(如磁盘、网络)等速度远远慢于 CPU,因此引入了多线程技术。当一个线程发起 I/O 请求时,先将它挂起,切换到别的线程;当 I/O 设备就绪时,再切换回该线程。总之,多线程技术是为了充分利用 CPU 的计算资源,适用于下层存储慢速的场景

而 redis 是纯内存操作,读写速度非常快。所有的操作都会在内存中完成,不涉及任何 I/O 操作,因此多线程频繁的上下文切换反而是一种负优化。Redis 选择基于非阻塞 I/O 的 I/O 多路复用机制,在单线程里并发处理客户端的多个连接,减少多线程带来的系统开销,同时也有更好的可维护性,方便开发和调试。

不过 redis 在最新的几个版本中也引入了多线程,目的是:

  1. 异步处理删除操作。当删除超大键值对的时候,单线程内同步地删除可能会阻塞待处理的任务
  2. 应对网络 I/O 的场景,网络 I/O 是慢速 I/O。redis6 吞吐量提高了 1 倍

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参考资料