I/O多路复用:select、poll和epoll区别

声明：来源牛客网课程

放在此处便于翻阅，侵删

I/O 多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux 下实现 I/O 多路复用的
系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

1. select

主旨思想：

1. 首先要构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中。
2. 调用一个系统函数，监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O
   操作时，该函数才返回。
   a.这个函数是阻塞
   b.函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的
3. 在返回时，它会告诉进程有多少（哪些）描述符要进行I/O操作。

// sizeof(fd_set) = 128 1024
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- 参数：
- nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
- readfds : 要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
- 一般检测读操作
- 对应的是对方发送过来的数据，因为读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲
区
- 是一个传入传出参数
- writefds : 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
- 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写）
- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
- timeout : 设置的超时时间
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
- NULL : 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化
- tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞
- tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞对应的时间
- 返回值 :
- -1 : 失败
- >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断fd对应的标志位是0还是1， 返回值 ： fd对应的标志位的值，0，返回0， 1，返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位，设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);

2. poll

#include <poll.h>
struct pollfd {
int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */
short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */
};
struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数：
- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，这是一个需要检测的文件描述符的集合
- nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
- timeout : 阻塞时长
0 : 不阻塞
-1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞
>0 : 阻塞的时长
- 返回值：
-1 : 失败
>0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

poll和select同样存在一个缺点就是，包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否就绪，它的开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。

1. 它将用户传入的数组拷贝到内核空间
2. 然后查询每个fd对应的设备状态：
3. 如果设备就绪 在设备等待队列中加入一项继续遍历
4. 若遍历完所有fd后，都没发现就绪的设备 挂起当前进程，直到设备就绪或主动超时，被唤醒后它又再次遍历fd。这个过程经历多次无意义的遍历。

没有最大连接数限制，因其基于链表存储，其缺点：

1. 大量fd数组被整体复制于用户态和内核地址空间间，而不管是否有意义
2. 如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd

所以又有了epoll模型。

3. epoll

epoll模型修改主动轮询为被动通知，当有事件发生时，被动接收通知。所以epoll模型注册套接字后，主程序可做其他事情，当事件发生时，接收到通知后再去处理。

可理解为event poll，epoll会把哪个流发生哪种I/O事件通知我们。所以epoll是事件驱动（每个事件关联fd），此时我们对这些流的操作都是有意义的。复杂度也降到O(1)。

#include <sys/epoll.h>
创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据，一个是需要检
测的文件描述符的信息（红黑树），还有一个是就绪列表，存放检测到数据发送改变的文件描述符信息（双向
链表）。
int epoll_create(int size);
- 参数：
size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0
- 返回值：
-1 : 失败
> 0 : 文件描述符，操作epoll实例的

typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
常见的Epoll检测事件：
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR
- 
对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 参数：
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- op : 要进行什么操作
EPOLL_CTL_ADD: 添加
EPOLL_CTL_MOD: 修改
EPOLL_CTL_DEL: 删除
- fd : 要检测的文件描述符
- event : 检测文件描述符什么事情
- 
 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int
timeout);
- 参数：
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- events : 传出参数，保存了发送了变化的文件描述符的信息
- maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
- timeout : 阻塞时间
- 0 : 不阻塞
- -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞
- > 0 : 阻塞的时长（毫秒）
- 返回值：
- 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
- 失败 -1

Epoll 的工作模式：
LT 模式 （水平触发）
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知
b.用户只读了一部分数据，epoll会通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知

== LT（level - triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 no-block socket。在这
种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操 作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的 ==

ET 模式（边沿触发）
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了
b.用户只读了一部分数据，epoll不通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知

== ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述
符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，
并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述
符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成
未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。
ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll
工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写
操作把处理多个文件描述符的任务饿死 ==

struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

常见的Epoll检测事件：

• EPOLLIN
• EPOLLOUT
• EPOLLERR
• EPOLLET

4.总结

select，poll，epoll都是IO多路复用机制，即可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（读或写就绪），能够通知程序进行相应读写操作。 但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。
select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

参考：一文搞懂select、poll和epoll区别