一. IO的概念和分类

1. IO操作的原理：

以一个进程的输入类型的IO调用为例，它将完成或引起如下工作内容：
1）用户进程向操作系统请求外部数据；
2）操作系统将外部数据加载到内核缓冲区
3）操作系统将数据从内核缓冲区拷贝到进程缓冲区
4）进程读取数据继续后面的工作

二. I/O多路复用使用场景和作用

1. 问题： 一台网络服务器需要接收100台客户端的连接和数据通信，应该如何设计和实现？

分析：
1).肯定不能一个进程或线程依次进行IO的处理，那么会出现阻塞等待某个IO的过程，此时就可能丢其他IO的数据；
2).可以使用多个线程，每个线程直跟踪处理一个IO通信，只有少量IO通信是可行的，如果有多个IO都是使用线程的话，由于线程的资源开销比较大，线程创建、释放和调度切换等操作都会大大的浪费CPU时间，降低系统资源和效率；
3).解决上面的问题的办法，内核提供了IO多路复用的机制，即下面3种：poll、select、epoll；

2. I/O多路复用机制：

1. 通过一种事件机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是可读或可写状态)，能够通知应用程序进行相应的读写操作；
2. 在多路复用IO模型中，会借助于内核的处理。一个内核线程不断地去轮询多个 socket 的状态，只有当真正读写事件发送时，才真正调用实际的IO读写操作。
3. 在多路复用IO模型中，上层应用只需要使用一个线程就可以管理多个socket，不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，且只有真正有读写事件进行时才会使用IO资源，所以它大大减少来资源占用；
4. 在多路复用IO模型中，应用层通常使用select/poll/epoll函数向系统内核发起调用，并阻塞在这几个系统函数的调用中，而不是阻塞于实际的IO操作；
5. 在网络编程的过程中，以下几种情况需要使用I/O复用模型：
6. 客户端要同时处理多路socket通信;
   客户端程序要同时处理用户交互式输入和网络套接口;
   TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket,这种情况是I/O复用使用最多的一种情况。
   服务器要同时处理TCP请求和UDP请求;
   服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

三. Select poll epoll

select

1.1 优点 select 其实就是把NIO中用户态要遍历的 fd 数组拷贝到了内核态，让内核态来遍历，因为用户态判断socket是否有数据还是要调用内核态的，所有拷贝到内核态后，这样遍历判断的时候就不用一直用户态和内核态频繁切换了
从代码中可以看出，select系统调用后，就会修改对应数据到达后的标记位，从而判断数据是否到达。之后把内核态的数据再返回到用户态。
1.2 存在的问题 1、bitmap最大1024位，一个进程最多只能处理1024个客户端 2、&rset不可重用，每次socket有数据就相应的位会被置位 3、文件描述符数组拷贝到了内核态，仍然有开销
4、select并没有通知用户态哪一个socket有数据，仍然需要O(n)的遍历

poll

优点 1、poll使用pollfd数组来代替select中的bitmap，数组没有1024的限制，可以一次管理更多的client
2、当pollfds数组中有事件发生，相应的revents置位为1，遍历的时候又置位回0，实现了pollfd数组的重用 缺点 poll
解决了select缺点中的前两条，其本质原理还是select的方法，还存在select中原来的问题
1、pollfds数组拷贝到了内核态，仍然有开销 2、poll并没有通知用户态哪一个socket有数据，仍然需要O(n)的遍历

epoll

一棵记录要监听的FD的红黑树和一个记录就绪FD的链表

1 事件通知机制 1、当有网卡上有数据到达了，首先会放到DMA（内存中的一个buffer，网卡可以直接访问这个数据区域）中
2、网卡向cpu发起中断，让cpu先处理网卡的事
3、中断号在内存中会绑定一个回调，哪个socket中有数据，回调函数就把哪个socket放入就绪链表中

2 详细过程

首先epoll_create创建epoll实例，它会创建所需要的红黑树，以及就绪链表，以及代表epoll实例的文件句柄，其实就是在内核开辟一块内存空间，所有与服务器连接的socket都会放到这块空间中，这些socket以红黑树的形式存在，同时还会有一块空间存放就绪链表；红黑树存储所监控的文件描述符的节点数据，就绪链表存储就绪的文件描述符的节点数据；
epoll_ctl添加新的描述符，首先判断是红黑树上是否有此文件描述符节点，如果有，则立即返回。如果没有，
则在树干上插入新的节点，并且告知内核注册回调函数。当接收到某个文件描述符过来数据时，那么内核将该节点插入到就绪链表里面。
epoll_wait将会接收到消息，并且将数据拷贝到用户空间，清空链表。

3 水平触发和边沿触发

Level_triggered(水平触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用
epoll_wait()时，它还会通知你在上没读写完的文件描述符上继续读写，当然如果你一直不去读写，它会一直通知你！！！如果系统中有大量你不需要读写的就绪文件描述符，而它们每次都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率！！！
Edge_triggered(边缘触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符！！！
4 优点 epoll是现在最先进的IO多路复用器，Redis、Nginx，linux中的Java NIO都使用的是epoll
1、一个socket的生命周期中只有一次从用户态拷贝到内核态的过程，开销小
2、使用event事件通知机制，每次socket中有数据会主动通知内核，并加入到就绪链表中，不需要遍历所有的socket

比较

1. select:
   优点：目前几乎在所有的平台上支持，其具有良好的跨平台支持；
   缺点：
   1）单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024， 可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但 是这样也会造成效率的降低。
   2） 可读和可写的fdset分开管理和添加，比较麻烦。假设我们有一个文件描述符sockfd，如果我们要监听它的可读和可写，那么这个文件描述符就需要传入到两个fd_set中，再将两个fd_set传入到select中；
   2.poll：
   优点：
   1）poll克服了文件描述符数量的限制，但仍然存在一定的效率问题；
   2）解决了select中的第2个缺点；
   3）select监测的事件只有3种，而poll将监测事件细化了。
   缺点：select和poll采用的都是轮询检测的机制，即每次调用都要重复的将文件描述符传入到内核当中，这一点很大程度上降低了程序的运行效率；
2. epoll：
   优点：
   1）监视的描述符数量不受限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目；
   2）效率高；尤其适用于高并发场景；不同于select和poll轮询的方式，而是通过每个fd定义的回调函数来实现的；
   3）支持电平触发和边沿触发两种方式，理论上边缘触发的性能要更高一些，但是代码实现相当复杂；
   4）mmap加速内核与用户空间的信息传递。epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存，避免了无畏的内存拷贝。
   缺点：但仅能在Linux平台上可用，跨平台性差；