文章详细介绍了Linux系统中的多路转接机制，包括select、poll和epoll。select和poll允许进程监视多个文件描述符，而epoll在处理大量并发时表现出更高的效率，尤其适合高性能网络服务器。epoll使用红黑树和回调机制，提供水平触发和边缘触发两种工作模式，支持更高效的事件处理。此外，文章还提到了Reactor模式，这是一种基于事件驱动的网络编程模式，利用epoll实现高并发和高性能。
在Linux系统中，多路转接（Multiplexing）是一种重要的事件处理机制，它允许一个进程或线程同时监视多个文件描述符（sockets、文件等），然后一次性提取出有多个就绪事件的文件描述符进行挨个处理。将多进程多线程以及多路转接结合在一起，是实现高并发服务器的常用手段。
一、select
select()是一个系统调用，用于在一组文件描述符中选择已准备好进行某种I/O操作的文件描述符。select()函数的原型如下：
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- nfds：待测试的文件描述符个数，即fd_set集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1。
- readfds：可读文件描述符集合。
- writefds：可写文件描述符集合。
- exceptfds：异常文件描述符集合。
- timeout：超时时间。
返回值：
- -1：出错，错误原因存于errno中。
- 0：超时时间到
- 正整数：准备好的文件描述符数目。
其中，readfds、writefds、exceptfds都是指向fd_set结构体的指针，它们是开关，比如readfds指向的fd_set值为......00000001的话，即意味着让selsect监视文件描述符0的可读事件（fd_set第0位为0），而不关心文件描述符2、3、4......的可读事件（fd_set其余位皆为0）。fd_set默认是一个结构体，内部是一个数组，作为位图的载体，占128字节，1024位，每一位都代表了一个文件描述符，可以操控0-1024的文件描述符。
需要使用规定得宏才能对fd_set结构体进行操作：
- FD_ZERO(fd_set *set)：将set清零。
- FD_SET(int fd, fd_set *set)：将fd加入set中。
- FD_CLR(int fd, fd_set *set)：将fd从set中删除。
- FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：测试fd是否在set中。
timeout参数至关重要，它所指向得结构体结构如下：
struct timeval {
__time_t tv_sec; /* Seconds. */
__suseconds_t tv_usec; /* Microseconds. */
};其中，tv_sec代表秒数，tv_usec为微秒数，即秒后面的零头。
当timeout值大于0时（结构体内两个值有任一大于0），select会等待timeout时间，其间任一监控的文件有就绪事件，该函数立刻返回，返回值为就绪文件数量，timeout同时是一个输出型参数，内部存有剩余的时间；readfds、writefds、exceptfds也是输出型参数，此时内部第n位为1，就代表文件描述符n有就绪事件。如果超过了timeout时间仍没有文件产生就绪事件，函数返回0。
如果timeout参数值为NULL，意味着select进入阻塞模式，直到有至少一个监控的文件内产生就绪事件才返回，否则陷入阻塞。
优点:
可以一次等待多个fd，在一定程度，提高I0的效率。
缺点:
1. 由于函数参数是输入输出型参数，因此每次函数返回后，再次调用都要重新设置；每次完成之后，也需要遍历检测readfds、writefds、exceptfds的值。
2. fd_set，它能够让select同时检测的fd是有上限的，默认为0-1024。
3. select底层原理是通过轮询检测的方式得知哪些fd就绪了，效率有限。
二、poll
在Linux系统中，除了select之外，还有另一种多路转接机制称为poll。与select类似，poll也允许一个进程或线程监视多个文件描述符，并在有就绪事件时进行处理。相比select，poll有一些优点，但也有一些局限性，相比select其实并没有特别大的提升，较少sh。
函数原型：
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);struct pollfd：是一个结构体数组，用于传递待监视的文件描述符信息和就绪事件。nfds：待测试的文件描述符个数，即结构体数组中元素的数量。timeout：超时时间，与select的timeout类似，单位是毫秒。- 返回值：与select一样，返回准备好的文件描述符数目，0表示超时，-1表示出错，错误原因存于errno中。
结构体struct pollfd：
struct pollfd {
int fd; // 待监视的文件描述符
short events; // 期望的事件类型，由下面的宏组合而成
short revents; // 实际发生的事件类型，由内核填充
};事件类型宏：
POLLIN：表示文件描述符可以读取（包括TCP连接中的新数据、socket接收缓冲中的数据）。POLLOUT：表示文件描述符可以写入。POLLERR：表示文件描述符发生了错误。POLLHUP：表示文件描述符挂起（连接关闭）。POLLNVAL：表示文件描述符没有打开。
使用方法：
和select不同，poll不需要对大型位图进行操作，而是使用结构体数组，每个数组元素对应一个文件描述符。然后用户从pollfd数组元素的revents中，得知该pollfd中存储的fd是否有监控的就绪事件类型被触发。
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
int main() {
struct pollfd fds[2];
int timeout = 5000; // 5秒超时
// 设置第一个文件描述符
fds[0].fd = fd1;
fds[0].events = POLLIN; // 只关注可读事件
// 设置第二个文件描述符
fds[1].fd = fd2;
fds[1].events = POLLIN | POLLOUT; // 同时关注可读和可写事件
int ret = poll(fds, 2, timeout);
if (ret == -1) {
perror("poll");
return 1;
} else if (ret == 0) {
printf("Timeout\n");
} else {
// 检查就绪事件
for (int i = 0; i < 2; i++) {
if (fds[i].revents & POLLIN) {
printf("fd%d is ready for reading\n", i+1);
}
if (fds[i].revents & POLLOUT) {
printf("fd%d is ready for writing\n", i+1);
}
if (fds[i].revents & (POLLERR | POLLHUP | POLLNVAL)) {
printf("Error on fd%d\n", i+1);
}
}
}
return 0;
}优点：
- 不需要使用fd_set，避免了select中的1024文件描述符的限制。
- 不需要每次调用都重新设置监视的文件描述符，使用结构体数组更加灵活。
缺点：
-
和select一样，也是轮询检测，效率有限。当文件描述符数量较大时，性能可能不如其他更高级的机制，如epoll。
三、epoll
在Linux系统中，epoll是一种高效的多路转接（Multiplexing）机制，用于监视多个文件描述符，并在有就绪事件时进行处理。相较于select和poll，epoll在处理大量文件描述符的并发时性能更优。
epoll的底层原理要比select和poll复杂的多，首先它有三个接口：
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);epoll_create：创建一个epoll实例，返回epoll文件描述符（epfd）。epoll_ctl：控制epoll的行为，如添加、修改、删除监视的文件描述符。epoll_wait：等待就绪事件，并返回就绪的文件描述符。
（1）epoll_create
epoll_creat函数的作用，是新申请一个文件描述符（即返回值），其内部创建了一个红黑树，用来存储epoll需要监控的文件描述符以及需要监控的就绪时间类型(可读、可写、异常等）。
红黑树的每一个节点都是一个epoll_event:
struct epoll_event {
__uint32_t events; // 存放发生的事件类型，可以是多个事件的位掩码
epoll_data_t data; // 用户数据，可以是指针、文件描述符等
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;其中event中存储的是需要监控的就绪事件类型，data是一个共用体，用户可以自己决定用来存储什么信息，比如存储对应的文件描述符，或是一个结构体指针，结构体内部定义更丰富的信息。红黑树内得每个节点，都代表着内核要监控的文件及就绪事件类型。
（2）epoll_ctl
epoll_ctl函数得作用其实就是向epoll_create所创建得红黑树内部添加、删除或修改节点。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);-
epfd是epoll文件描述符，通过epoll_create创建的。 -
op是操作类型，有三种取值：EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符fd添加到epoll实例中。EPOLL_CTL_MOD：修改文件描述符fd在epoll实例中的监视事件。EPOLL_CTL_DEL：从epoll实例中删除文件描述符fd。
-
fd是要进行操作的文件描述符，可以是socket、文件等。 -
event是一个指向struct epoll_event结构体的指针，用于指定要添加或修改的事件。struct epoll_event结构体中的events字段用于指定感兴趣的事件类型，data字段用于存储用户数据，可以是指针、文件描述符等。 -
函数返回值：成功返回0；失败返回-1，失败原因存储在errno中。
（3）epoll_wait
理所当然，epoll_wait就是用来从内核中获取哪些被监控的文件产生了就绪事件的接口了。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);-
epfd是epoll文件描述符，通过epoll_create创建的。 -
events是一个指向struct epoll_event结构体数组的指针，用于存储就绪的事件。 -
maxevents是events数组的大小，即最多可以处理的就绪事件数量。 -
timeout是超时时间，单位为毫秒。当timeout为-1时，表示阻塞模式，即直到有就绪事件才返回；当timeout为0时，表示非阻塞模式，即立即返回，不管是否有就绪事件；当timeout大于0时，表示等待指定时间，超时后如果没有就绪事件则返回。 -
函数返回值：成功返回就绪的文件描述符数量，如果超时返回0；失败返回-1，失败原因存储在errno中。
epoll与select和poll最大的不同就在这里了，epoll底层不仅存在着一个红黑树，还要一个回调机制，和就绪队列。
当文件描述符上有就绪事件时，内核会触发内部的回调机制，内核检查该文件描述符是否在epoll对象的红黑树中（log2 N的时间复杂度），如果在，则再检测该就绪事件是否是红黑树对应节点中的events所设置了要监控的。如果是就将该节点的epoll_event存储到内核中的就绪epoll_event队列中，等待用户调用epoll_wait函数后，就将内核中的epoll_event就绪队列中的内容拷贝到用户通过epoll_wait函数提供的struct epoll_event *events参数中去。
如此一来，用户直接就可以从struct epoll_event *events直接得出哪些fd产生了就绪事件，不需要再像select和poll中那样对位图或数组进行遍历查询了，大幅提高了效率。
优点：
-
在大量文件描述符的并发情况下，epoll性能更高，因为它使用了回调机制，不需要像select和poll一样轮询检测。
-
支持ET（边缘触发）和LT（水平触发）两种工作模式。默认是LT模式，ET模式可以通过epoll_ctl函数的
EPOLLET标志来设置。 -
不受文件描述符数量限制，因为它是基于红黑树实现的。
缺点：
-
epoll是Linux特有的系统调用，在跨平台要求的情况下需要考虑其他方案。
-
对于少量文件描述符的情况，select和poll可能比epoll略微更高效，因为epoll需要维护红黑树的数据结构。
总的来说，epoll是Linux下高效的多路转接机制，特别适用于处理大量并发连接的网络服务器。在实际开发中，可以根据具体的需求选择合适的多路转接机制。
(4)epoll的两种触发模式
水平触发模式（LT，Level-Triggered）：
默认情况，在水平触发模式下，当文件描述符上有就绪事件时，内核会持续触发回调机制，直到用户程序将事件处理完毕。也就是说，只要文件描述符处于就绪状态，每次调用epoll_wait都会返回该文件描述符，无论用户程序是否处理了就绪事件。这种模式需要用户程序自己负责处理所有就绪事件。
特点：
-
在水平触发模式下，用户程序需要注意在处理就绪事件时确保数据完全读取或写入，否则下次调用
epoll_wait时该文件描述符仍然会被返回，导致重复触发。 -
水平触发模式是默认的工作模式，也是与select和poll的行为相似的模式。
边缘触发模式（ET，Edge-Triggered）：
在边缘触发模式下，当文件描述符上的事件状态从未就绪变为就绪时，内核会触发回调机制，确保只通知一次。也就是说，只有当文件描述符的就绪状态发生变化时，epoll_wait才会返回该文件描述符，一旦返回，用户程序需要处理所有就绪事件，否则下次调用epoll_wait时不会再次返回该文件描述符。边缘触发模式要求用户程序能够及时处理就绪事件。
特点：
-
边缘触发模式在应对大量并发连接时具有更高的性能，因为它避免了重复通知的开销。
-
在边缘触发模式下，用户程序需要注意在处理就绪事件时尽可能多地读取或写入数据，确保将缓冲区中所有的就绪数据处理完毕，以免造成数据丢失或阻塞。
-
用户程序需要谨慎处理ET模式，因为它要求用户能够以更高的效率处理文件描述符上的数据。
工作模式选择：
在使用epoll时，可以通过设置epoll_ctl函数的EPOLLET标志来选择工作模式。默认情况下，epoll是使用水平触发模式的。
示例：
struct epoll_event event;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置边缘触发模式
event.data.fd = fd; // 你要监视的文件描述符fd
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);需要注意的是，边缘触发模式可能会导致更多的通知事件，因此在使用边缘触发模式时，用户程序需要更加高效地处理就绪事件，以免造成性能问题。另外，边缘触发模式在一些特定情况下可能会有一些坑，需要谨慎使用和处理。如果用户程序无法及时处理就绪事件，可能会导致文件描述符一直处于就绪状态，导致epoll_wait一直返回该文件描述符，进而引起CPU高占用。
四、Reactor反应堆模式
有了epoll后，就可以做一些有趣的事了，将一个文件描述符与将对它进行读写等处理的函数进行封装（通过函数指针或者仿函数），组成一个对象；再将若干个这样的对象交由一个基于epoll的对象进行管理，即可实现自动化处理文件I/O操作。这样的模式，就叫做Reactor模式，这个管理若干个fd对象的基于epoll的对象就像一个反应堆一样，一个个fd对象就是原材料，一旦加入到反应堆中去，就会被自动调用其内部封装的各个函数，这也叫做事件驱动。
- Reactor模式是一种基于事件驱动的网络编程模式，它将I/O事件和业务逻辑分离，实现了高内聚和低耦合的设计原则。
- Reactor模式有四个主要角色：Reactor、Handler、Acceptor和Dispatcher。
- Reactor是一个单例对象，它负责创建和管理一个epoll对象，并提供注册和取消注册Handler的接口。
- Handler是一个抽象类，它定义了处理I/O事件的接口，如handle_read、handle_write等。每个Handler都关联一个fd和一个Reactor对象。
- Acceptor是一个特殊的Handler，它负责监听客户端连接请求，并创建新的Handler来处理连接。
- Dispatcher是一个线程池对象，它负责调度Handler来执行相应的业务逻辑。
- Reactor模式的工作流程如下：
- 首先，Reactor对象创建一个epoll对象，并注册一个Acceptor对象来监听listen_fd。
- 然后，Reactor对象调用epoll_wait来等待I/O事件，并将就绪的事件集合传递给Dispatcher对象。
- 接着，Dispatcher对象根据事件类型，从线程池中分配一个线程来执行对应的Handler对象的回调函数。
- 最后，Handler对象根据事件类型，执行相应的业务逻辑，如读取或发送数据，或者关闭连接。
总的来说，Reactor模式是一种基于事件驱动的网络编程模式，它利用epoll的事件驱动机制，将I/O事件和业务逻辑分离，实现了高并发和高性能的服务器。
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