IO复用：select、poll与epoll的对比及应用实例-优快云博客

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应用场景
三种api的对比
select
poll
epoll
Example-I 非阻塞connect
Example-II 聊天室
Example-I 同时处理TCP&UDP

应用场景

客户端需要处理多个socket，比如非阻塞connect
客户端需要同时处理用户输入和网络连接，比如聊天室
服务器需要同时监听socket和连接socket
服务器需要同时处理tcp和udp请求
服务器需要同时监听多个端口或者处理多种服务，如xinetd服务器
Note：IO复用虽然可以监听多个fd（文件描述符），但是他是阻塞的。并且当多个fd同时就绪时，不采取额外措施下，程序只能按次依次处理每个fd，使得程序看起来是串行工作。只能通过多线程多进程编程实现并发。

三种api的对比

对比三种api，最好看了下面三段再看这里

#include<sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

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);

从事件集、最大支持文件描述符数、工作模式和具体实现来比较。

事件集

select的fd_set没有将文件描述符与事件绑定，仅仅是文件描述符的集合，通过宏FD_SET将fd与fd_set绑定，因此select需要三个参数来分别传入和输出可读、可写和异常事件。因此其能处理的事件类型有限，此外，由于内核对fd_set集合会进行修改，因此再次调用select时需要重置fd_set。索引就绪文件描述符的时间复杂度是O(n)，因为需要遍历整个事件集来确认就绪事件。
poll将文件描述符和事件都定义在类型为pollfd的参数fds中，
通过设置fds的events成员来注册监听事件，内核修改revents成员来返回就绪情况。因此下次调用时无需重置事件集参数。与select相同，索引就绪文件描述符的时间复杂度是O(n)。
epoll通过维护一个事件表，并且通过epoll_cntl()来添加、删除、修改事件。而epoll_wait将从内核中直接获得所有就绪事件，使得应用程序索引就绪文件的时间复杂度为O(1)。

支持的最大文件描述符

select的最大文件描述符数量是宏定义#define __FD_SETSIZE 1024，贸然修改可能有未知后果
poll和epoll分别用nfds和maxevents参数指定最多监听的文件描述符和事件，这两个可以达到系统允许的最大打开文件描述符数量 $2^{16} = 65535$ 个（cat/proc/sys/fs/filemax）。

工作模式

select和poll只能工作在LT模式，epoll支持ET模式，并且支持EPOLLONESHOT事件。

实现原理

select和poll都是基于轮询的，内核修改文件描述符集合后返回，每次调用都会扫描所有的文件描述符集合，并处理就绪事件。epoll则采取回调模式，回调函数将文件描述符上的事件插入到内核的就绪事件队列。内核在适当的时机将队列的内容拷贝到用户空间，所以epoll_wait无需轮询整个文件描述符集合。
但是当活动连接比较多时，epoll_wait的效率未必高于其他两种类型，因为回调函数会频繁触发，所以epoll适用于连接次数多，且活动连接少的情况。

在这里插入图片描述

select

select API

#include<sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

nfds指定被监听的文件描述符的总数，它通常被设为fd中的最大值加1，因为fd是从0开始计数的。
fd_set的结构体
在这里插入图片描述
fd_set的结构体仅包含一个整型数组，该数组的每一位标记一个文件描述符，其能标记的最大文件描述符数量由FD_SETSIZE指定。

参数timeout可以指定阻塞行为。指向NULL会一直阻塞。可以指向timeval的结构体。如果timeval的两个域都是0，则不会阻塞，会轮询文件描述符集合，有可用的会立刻返回。否则会设置一个等待时间上限。

struct timeval{
	long tv_sec; // 秒数
	long tv_usec; // 微秒
}

timeout传递一个结构指针，内核通过修改指针返回值来告知应用程序select等待了多久。但是这个返回值不一定完全可信，调用失败时值是不确定的。
在这里插入图片描述

文件描述符就绪条件

在这里插入图片描述

例子，接受普通和带外数据

const int BUF_SIZE = 1024;
int main() {
	const char* ip = "";
	int port = 19981;
	struct sockaddr_in address;
	bzero(&address, sizeof(address));

	address.sin_family = AF_INET;
	address.sin_port = htons(port);
	address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	assert(sock > 0);

	int ret = bind(sock, (sockaddr*)(&address), sizeof(address));
	perror("bind");
	assert(ret != -1);
	 
	ret = listen(sock, 5);
	perror("bind");
	assert(ret != -1);

	sockaddr_in client;
	socklen_t client_len = sizeof(client);
	printf("Start accept\n");
	int connfd = accept(sock, (sockaddr*)(&client), &client_len);
	printf("Accepted\n");
	if (connfd < 0) {
		std::cout << "error " << errno << std::endl;
	}
	
	char buf[BUF_SIZE];
	fd_set read_fds;
	fd_set except_fds;
	FD_ZERO(&read_fds);
	FD_ZERO(&except_fds);

	while (true) {
		memset(&buf, '\0', sizeof(buf));
		FD_SET(connfd, &read_fds);
		FD_SET(connfd, &except_fds);
		printf("do select\n");
		ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &except_fds, NULL);
		if (ret < 0) {
			printf("select failure\n");
			break;
		}
		if (FD_ISSET(connfd, &read_fds)) {
			ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);
			if (ret <= 0) break;
			printf("get %d bytes of obb data: %s\n", ret, buf);
		}
	}
	close(connfd);
	close(sock);
	getchar();

	return 0;
}

poll

poll在指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试是否有就绪的文件描述符。

#include<poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd{
	int fd;
	short events; // 注册的事件
	short revents; // 实际发生的事件，由内核填充
};

poll支持的事件类型
在这里插入图片描述

nfds指定被监听的事件集合fds的大小
typedef unsigned long int nfds_t;

timeout指定超时值，单位是毫秒。设置为-1表示poll将阻塞至事件发生，为0则立即返回。

epoll

内核事件表，创建和控制

epoll将关心的文件描述符上的事件注册到内核的事件表中，从而避免了select调用的频繁内核拷贝，但是epoll需要额外的文件描述符来标识内核中的事件表，使用epoll_create来创建。

#include<sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

size参数提示内核其需要的事件表需要多大，但并不起作用。该函数返回一个文件描述符，指定内核事件表。

#include<sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

struct epoll_event{
	_uint32_t events;
	epoll_data_t data;
};

typedef union epoll_data{
	void *ptr;
	int fd;
	uint32_t u32;
	uint64_t u64;
} epoll_data_t;

epfd指定事件表。
fd参数是要操作的文件描述符，op参数指定操作类型：

EPOLL_CTL_ADD 往事件表注册fd上的事件
EPOLL_CTL_MOD 修改fd上的注册事件
EPOLL_CTL_DEL 删除fd上的注册事件
event 参数指定事件类型，事件类型与poll相似，在poll对应的宏前加E。
epoll_data_t是一个联合体，fd指定事件从属的目标文件描述符，ptr成员指定与fd相关的用户数。
epoll_ctl()成功返回0，失败-1。

epoll_wait

它在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件，函数签名如下：

#include<sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

该函数成功则返回就绪的文件描述符个数，失败-1；
timeout参数与poll相同。
maxevents指定最多监听多少个事件，必须大于0；
epoll_wait如果监测到实际按，就将所有就绪事件从内核事件表中复制到events指向的数组中，这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，而非像前两个一样既传入用户注册事件又输出检测到的就绪事件。
example， poll和epoll索引就绪文件描述符

// poll
// 在返回后，会修改fds(type : pollfd)上的revents位，遍历fds检测revents位上的事件是否发生
int ret = poll(fds, MAX_EVENTS_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < MAX_EVENTS_NUMBER; i++{
	if(fds[i].revents & POLLIN){
		int sockfd = fds[i].fd;
		// 处理
	}
}
// epoll
// epoll_wait会返回就绪事件长度，并将事件放入events（type：epoll_event）数组中，遍历events数组即可获取事件
int re = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < re; i++){
	int sockfd = events[i].data.fd;
	// 处理
}

LT和ET模式

LT(Level Trigger) 水平出发（默认）
ET(Edge Trigger) 边缘触发

对于LT模式，epoll_wait检测到事件后，程序可以不立即处理。此后每次调用epoll_wait都会再次通告此事件（置入epoll_event数组中），直到该事件被处理。
ET模式，当epoll_wait检测到该事件后，程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再通告该事件，因此ET模式减少了同一事件被重复触发的次数，提高了效率。

example，如何创建一个ET模式的epoll

int main(){
	// ...
	int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	// ...
	epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
	int epollfd = epoll_create(5);
	addfd(epollfd, listenfd, true);
}

void addfd(int epollfd, int listenfd, bool et_mode){
	epoll_event event;
	event.data.fd = listenfd;
	event.events = EPOLLIN;
	// 默认是LT，如果是ET，则并上
	if(er_mode){
		event.events = event.events | EPOLLET;
	}
	// 修改内核事件表，添加该事件
	epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
	setnonblocking(listenfd);
}

int setnonblocking(int fd){
	int old_opt = fcntl(fd, F_GETFL);
	int new_opt = old_opt | O_NONBLOCK;
	fcntl(fd, F_SETFL, new_opt);
	return old_opt;
}