IO复用模型之select、poll与epoll

 一、前言

如果我们创建的几个进程承载不了目前快速发展的业务的话，是不是还得增加进程数？

我们都知道系统创建进程是需要消耗大量资源的，所以这样就会导致系统资源不足的情况。

那么有没有一种方式可以让一个进程同时为多个客户端提供服务？

接下来要讲的IO复用技术就是对于上述问题的最好解答。

对于IO复用，我们可以通过一个例子来很好的理解它。

某教室有10名学生和1名老师，这些学生上课会不停的提问，所以一个老师处理不了这么多的问题。

那么学校为每个学生都配一名老师，也就是这个教室目前有10名老师。

此后，只要有新的转校生，那么就会为这个学生专门分配一个老师，因为转校生也喜欢提问题。

如果把以上例子中的学生比作客户端，那么老师就是负责进行数据交换的服务端。则该例子可以比作是多进程的方式。

后来有一天，来了一位具有超能力的老师，这位老师回答问题非常迅速，并且可以应对所有的问题。

而这位老师采用的方式是学生提问前必须先举手，确认举手学生后在回答问题。则现在的情况就是IO复用。

目前的常用的IO复用模型有三种：select，poll，epoll。

1. select：时间复杂度O(n)

它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

所以，select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。

2. poll：时间复杂度O(n)

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。

3. epoll：时间复杂度O(1)

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以，我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，

此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。

I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。

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。

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现。

 二、select

同步多路IO复用

时间复杂度：

O(n)

fd_set(监听的端口个数)：

32位机默认是1024个，64位机默认是2048。

缺点：

1. 单进程可以打开fd有限制；

2. 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低；

3. 用户空间和内核空间的复制非常消耗资源；

1. 使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

2. 注册回调函数_pollwait

3. 遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll，udp_poll或者datagram_poll）

4. 以tcp_poll为例，其核心实现就是_pollwait，也就是上面注册的回调函数。

5. _pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，

对于tcp_poll来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。

在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

6. poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

7. 如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是current）进入睡眠。

当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定），还是没人唤醒，

则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

8. 把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。

这样所带来的缺点是：

1、 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。

      一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048。

2、 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。

       当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。

 如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

（1）