文件描述符

Linux将所有外部设备都看作一个文件，对文件的操作会产生文件描述符(fd,file descriptor)。对socket的读写描述符称为socket描述符(socketfd)。
描述符是一个数字，指向内存中的一个结构体。

Unix的五种网络通信模型

阻塞I/O

默认情况下，所有文件操作都是阻塞I/O。在进程空间执行读取数据的recvfrom，系统调用会等到数据包达到并复制到用户缓冲区或发生错误才返回，在此期间一直等待。因此被称为阻塞I/O。
下图摘自《Netty权威指南》

非阻塞I/O

执行recvfrom，进入内核层的时候，如果缓冲区没有数据可读，会返回EWOULDBLOCK错误而不是阻塞等待。一般非阻塞I/O会轮询检查这个状态，看内核中是否有数据可读。
下图摘自《Netty权威指南》

I/O复用模型

Linux提供了select/poll系统调用，进程可以将一个或多个fd传递给select/poll，然后阻塞在select操作上。select/poll系统调用会自动检测fd是否处于就绪状态。当有fd就绪时，将执行回调函数callback。在回调中可以执行recvfrom系统调用读取数据。
Linux还提供了epoll系统调用，性能更好。
几种复用的系统调用区别在后面。
下图摘自《Netty权威指南》

信号驱动I/O模型

首先要开启套接口信号处理功能。然后通过sigaction注册一个信号处理函数，注册完成立即返回，不阻塞进程。当数据就绪时，会向该进程发送一个SIGIO信号，并通过信号回调函数执行recvfrom读取数据。然后通知主循环函数处理数据。
下图摘自《Netty权威指南》

异步I/O

通过sio_read通知内核读取数据，内核在将数据复制到用户缓冲区后通知进程执行回调。与信号驱动的区别是，信号驱动I/O是内核在数据就绪时通知进程，进程仍要在回调中读取数据。而异步I/O则是内核在将数据读取并拷贝到用户缓冲区后通知进程，此时I/O操作已经完成。
下图摘自《Netty权威指南》

I/O多路复用

I/O多路复用是在处理多个客户端连接请求时，将多个客户端连接的I/O阻塞到一个系统调用上，实现用单线程处理多个阻塞的客户端连接的能力。
由于使用单线程，系统不需要维护更多的进程和线程，开销更小。
常用的支持多路复用的系统调用用select\pselect\poll\epoll。

select\poll

select\poll通过轮询fd的方式检测是否有数据可读。select是轮询遍历全部fd，不论有几个fd是可读状态，都会遍历全部。而且select支持的fd个数有上线，是1024个，除非重新编译内核，否则无法修改。poll支持的fd个数没有上线，但也是轮询遍历全部fd。

epoll

epoll是对于select\poll的优化，在Linux2.6内核提出，基于事件驱动I/O的方式实现。当socket就绪时，将fd放入内核的事件表，只处理就绪的fd，因此epoll不需遍历全部fd。
epoll不设置接受的fd上限，仅受操作系统的最大文件句柄数影响。在1G的机器上大约10W，可通过“cat /proc/sys/fs/file-max”查看。
epoll不像select\poll一样遍历全部fd。epoll在内核实现中是基于fd的回调函数实现的，这样只有socket就绪(有新连接、可读、可写)时，才会触发回调函数放入内核事件队列。因此也可以认为epoll实现了一个伪AIO。如果fd均处于活跃状态，epoll与select\poll的效率相差不大，反而因为有回调函数放入事件队列的操作，可能表现低于poll。