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Linux IO复用：select、poll与epoll对比解析

最新推荐文章于 2024-11-04 20:05:21 发布

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#epoll #select #io复用 #poll

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本文详细介绍了Linux下IO复用的三种方式：select、poll和epoll。select存在最大文件描述符个数的限制，可通过多进程或使用poll、epoll来突破。poll虽无此限制，但在大量文件描述符时效率较低。epoll通过红黑树和就绪链表实现高效处理，支持大数目文件描述符且IO效率稳定。

select

select函数原型如下：

select(int maxfdp,fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout)

fd_set是一种数据结构，该数据结构中存放着文件描述符，即文件句柄。该数据结构有大小限制，受到内核参数FD_SETSIZE的影响，一般为1024。该结构可以通过一些宏由人来操控。

fd_set set;
FD_ZERO(&set);       //将set清零
FD_SET(fd, &set);    //将fd加入set中
FD_CLR(fd, &set);    //不再监控fd
FD_ISSET(fd, &set);  //fd在set中是否就绪，即是否为1

timeval 是一种用来表示时间值的数据结构，它有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。

struct timeval{
    long tv_sec; 
    long tv_usec;
}

select函数中，maxfdp 要监控的文件描述符的最大值加1。三个fd_set 是文件描述符的集合，它们既代表输入参数，也代表输出参数。
readfds代表可读的文件描述符集合，作为输入，select要去检查它每一个为1的位是否可读；作为输出，调用者要使用FD_ISSET 去检查自己关注的句柄是否就绪，即是否为1。其他同理。
timeout是超时时间，它可以设置为三种状态：

NULL：代表该函数是阻塞的，只有当有句柄就绪时才返回
0：代表函数是非阻塞的，调用即返回
大于0：代表超时时间，在超时时间内阻塞，一旦有就绪句柄，立马返回；否则等到超时时间到才返回。

select的返回值是集合中就绪的句柄数目。如果小于0，代表发生错误；如果等于0，代表超时。

这里有一些关于select的小问题：

为什么select有最大文件描述符个数的限制？
答：注意，这里的最大文件描述符个数指的是单进程的最大限制。主要是因为select采用了fd_set这一数据结构，从该数据结构的定义中可以看到，fd_set其实应该是一个数据类型为long的fds_bits数组，该数组的大小由一个howmany宏来控制，而观察其参数可知，一个取决于FD_SETSIZE；另一个取决于fd_mask，即long的大小，该值在32位系统中是4，64位系统中是8。计算可知，如果long大小为8，那么fds_bits数组大小为16，16Byte*8*8bit/Byte=1024bit，数组共有1024个bit；若long大小为4，那么fds_bits数组大小为32，数组的bit数为32Byte*4*8bit/Byte=1024bit，还是1024。所以，系统位数对该数组的比特数没有影响。
而fd_set被宏视为一个位图进行操作，1位可以代表一个句柄，所以总共只能放1024个句柄。

#ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE  1024
#endif
#define NBBY    8       /* number of bits in a byte */
typedef long    fd_mask;
#define NFDBITS (sizeof (fd_mask) * NBBY)   /* bits per mask */
#define howmany(x,y)    (((x)+((y)-1))/(y))
typedef struct _types_fd_set {
    fd_mask fds_bits[howmany(FD_SETSIZE, NFDBITS)];
} _types_fd_set;

#define fd_set _types_fd_set

作者：用心阁
链接：https://www.zhihu.com/question/37219281/answer/74003967
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

如何突破该限制？
答：如上所说，该限制针对的是单进程，所以一个方法就是使用多进程；另一个方法就是修改FD_SETSIZE这个参数，并重新编译内核；还有就是使用poll和epoll。
FD_SETSIZE限制了什么？
答：起码在linux上，既限制了监视的文件描述符数目，又限制了最大的文件描述符。因为select的第一个参数，绝对不能大于FD_SETSIZE，否则访问fd_set数组时会越界。
其他复用方式为什么没有这种限制？
答：因为它们没有采用FD_SET数据结构啊。

poll

poll和select类似，本质上没有太大区别，查询就绪事件时还是使用轮询，但是它没有最大文件描述符的限制。
函数原型如下：
int poll(struct pollfd*fds, unsigned int nfds,int timeout)
其中，pollfd结构体如下：

struct pollfd{
int fd;         //文件描述符
short events;   //等待的事件
short revents;  //实际发生的事件

由原型可以发现，poll可以监听多个pollfd，且没有数目的限制，events是监视该文件描述符的事件掩码，由用户设置，revents是文件描述符的操作结果事件掩码，内核在调用返回时设置这个域。events中请求的任何事件都有可能在revents中返回。合法事件如下：

POLLIN 　　　　　　　有数据可读。
POLLRDNORM 　　　　 有普通数据可读。
POLLRDBAND　　　　　有优先数据可读。
POLLPRI　　　　　　　有紧迫数据可读。
POLLOUT　　　　　　 写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM　　　　　写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND　　　　　写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSGSIGPOLL 　　消息可用

函数返回值和select一样，成功时返回revents中不为0的事件数，超时返回0，失败返回-1。

epoll

1. int epoll_create(int size);

size是内核能够正确处理的最大句柄数目，返回值是一个epollfd。
epoll在内核中申请了一个简易的文件系统。该函数创建了一个epoll对象，并在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源。具体是创建了一个eventpoll结构体：

struct eventpoll{
    ....
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
    ....
};

每个epoll对象（即fd）都有一个结构体，用于存放epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件会挂到红黑树中。利用红黑树来维护事件。

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

epfd就是第一个函数的返回值，op是要进行的操作（EPOLL_CTL_ADD,EPOLL_CTL_MOD,EPOLL_CTL_DEL），fd是要进行操作的句柄，event是监听事件的集合。在event结构体中有一个epoll_data的union，一定要填写这个域来表明是哪个fd在监听事件。
struct epoll_event结构体如下：

typedef union epoll_data
{
    void        *ptr;
    int          fd;
    __uint32_t   u32;
    __uint64_t   u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event{
    __uint32_t events;
    epoll_data_t data;
};

该函数将要监控的事件放到内核cache里的红黑树上，并向中断处理程序注册一个回调函数，当设备就绪的时候，就将该事件添加到就绪列表中。
具体点说，如果有一个事件被添加到epoll中，那么内核会为它生成一个对应的epitem结构对象，epitem会被添加到eventpoll的红黑树中。

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

epfd同上，events用来从内核获得事件的集合，maxevents告诉内核这个events有多大，timeout是超时时间。调用这个函数会直接访问eventpoll结构的rdlist就绪链表，如果不为空，就把发生的事件拷贝到用户空间（即填写events参数），并将事件数量返回给用户。用户可以访问events，来获取就绪的fd及对应的事件。

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

比较

poll要比select好，因为没有文件描述符大小的限制；而且在应付大数目的文件描述符时更快，不用像select一样去对比fd_set中的每一个比特位。
select中输入输出使用同一个fd_set，所以该fd_set会一直变化，在每一次调用select时都需要重新设置该值。而poll将输入输出事件分开，允许复用被监控的文件数组。
select每次返回时超时参数也是未定义的，所以每次调用都需要对其进行初始化。
select的优点就是可移植性好，超时精度较高。
epoll主要有如下优点：支持进程打开大数目的文件描述符；IO效率不随fd的增大而降低，因为它只关注活跃的fd；使用mmap加速内核和用户空间的消息传递，主要是因为epoll中内核与用户空间mmap同一块内存。

内容来自：
IO多路复用之poll总结

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