深入理解select,poll,epoll三者的实现区别

最新推荐文章于 2025-06-04 16:00:00 发布

zjkzjk7711

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文章标签： c++

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zjkyeah/article/details/146094102

你提到的『内核通知』这一点非常关键。实际上，select、poll 和 epoll 都是通过内核告诉用户程序哪些文件描述符发生了事件，但它们的具体机制和效率不同。

一、为什么都是『内核通知』？

无论select、poll、还是epoll，其目的都是：

程序询问内核：

『我关注的这些描述符，有哪些已经准备好（比如可以读写）了？』
内核回答程序：

『你关注的这些描述符中，有这些已经准备好，可以读或写了。』

也就是说，本质上三种方式都是内核告诉用户程序哪些fd已经就绪。

二、三者『内核通知』的方式区别在哪里？

三者虽然都是内核通知，但具体实现机制不同：

模型	内核通知的机制（重点！）	效率
select	每次调用都将用户空间的`fd_set`拷贝到内核，然后内核遍历所有fd检查一遍，把有事件的标记出来，之后再拷贝回用户空间。每次都要完整遍历。	较低，O(n)
poll	每次调用都将用户空间的`pollfd`数组拷贝到内核，然后内核逐一检查，把发生事件的fd标记在`revents`中，最后再拷贝回用户空间。同样每次遍历所有fd。	较低，O(n)
epoll	调用`epoll_ctl`时，内核一次性把fd关注的事件注册到内核空间的结构体中（红黑树中），之后调用`epoll_wait`时只返回已发生的事件。不需要每次遍历所有fd，而是事件驱动（事件发生时，内核直接将fd加入就绪队列中）。	极高，O(1)

三、深入理解三者的实现区别（关键点）：

（1）`select` 和 `poll`：

主动查询型：
- 用户调用时，内核再去检查所有fd状态，效率取决于fd个数。
- 每一次调用的开销都较大，尤其在大量fd时明显。

形象理解：
用户（select/poll）： 每次问内核：『这些fd状态变了吗？』
内核：『你等等，我挨个再检查一遍……』

（2）`epoll`：

事件通知型（事件驱动）：
- 用户调用epoll_ctl注册fd时，内核就记住了你关注的fd。
- fd状态变化（如有数据到达网卡）时，内核主动记录下来（直接加入就绪队列），不再需要每次用户调用epoll_wait时临时检查所有fd。
- 调用epoll_wait只需从就绪队列中取出发生了变化的fd即可。

形象理解：
用户（epoll）： 提前告诉内核：『我关注这些fd，有变化告诉我！』
内核：『好的，我记住了』
当某个fd事件发生时，内核立即标记它『变化了』
当用户调用epoll_wait时，内核直接回答：『你关注的fd中，这几个变化了！』

四、为何`epoll`性能高？

避免了每次调用都重复将fd列表拷贝到内核。
避免了内核每次都遍历所有fd。
采用事件驱动模式，只有发生事件的fd才会被加入就绪队列。

四、实际代码区别：

select（每次重建fd_set）

while (1) {
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fd1, &readfds);
    FD_SET(fd2, &readfds);
    select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
    // 每次都要重新设置fd_set
}

epoll则不同：

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd1, &ev1);
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd2, &ev2);
// 后续直接调用epoll_wait即可，不用重复构建fd_set

四、三者核心区别的总结：

| | 是否每次传入fd集？ | 是否事件驱动 | 性能 |
|------------|------------------------|------------------|
| select | 是，每次传入fd_set | 低 (O(n)) |
| poll | 是，每次传入pollfd数组 | 低 (O(n)) |
| epoll | 否，提前一次注册即可 | 高 (O(1)) |

四、总结（回答你的疑问）：

你问的『内核通知』不是特殊概念，三者都是内核通知。
区别在于：
- select/poll是每次主动去问内核状态，因此效率较低。
- epoll是提前告诉内核关注哪些fd，内核事件发生时主动通知用户，效率更高。

四、实际项目建议

Linux服务器，网络编程：首选epoll。
跨平台简单程序、描述符少：select/poll可以。

总结（一句话）：

select 和 poll 每次都问一遍所有fd的状态，epoll是『先告诉内核关注哪些fd，事件发生时内核主动通知』。
这就是epoll性能优越的根本原因。

在C++（或Linux编程）中，select、poll 和 epoll 是用于 I/O 多路复用（multiplexing）的机制，用于同时监控多个文件描述符（如socket）的状态，提升程序的性能与效率。

三者的区别与适用场景如下：

一、基本介绍与使用方式

① `select`

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

特点：

使用三个fd_set分别监控读、写、异常事件。
监听文件描述符个数有上限，默认 FD_SETSIZE=1024。
每次调用都要遍历所有文件描述符，效率低。

缺点：

每次调用后，用户需重新构建 fd_set。
文件描述符数量受限。

② `poll`

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int   fd;         // 文件描述符
    short events;     // 请求的事件 (POLLIN, POLLOUT等)
    short revents;    // 实际发生的事件
};

特点：

无文件描述符数量限制（只受系统资源限制）。
使用数组代替位图，避免了select的文件描述符个数限制。
但同样，每次调用都要遍历所有文件描述符，效率随数量增大而降低。

缺点：

文件描述符数量较多时，效率明显下降。

③ `epoll`（推荐）

// 创建epoll实例
int epfd = epoll_create1(0);

// 注册/修改事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

// 等待事件发生
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

struct epoll_event {
    uint32_t events;  // EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLET(边缘触发模式)
    epoll_data_t data; // 用户数据，如文件描述符
};

特点：

Linux特有，高效且性能优异。
无文件描述符数量限制（受限于内存大小）。
底层使用红黑树快速管理事件，返回事件使用事件队列，效率高。
支持**边缘触发（ET）和水平触发（LT）**模式，边缘触发效率更高。

优势：

文件描述符数量大时依然高效，时间复杂度为O(1)。
不需要每次重新设置关注的文件描述符，减少开销。

二、三者对比表

特性	select	poll	epoll
描述符数量限制	有（通常1024）	无（受内存限制）	无（受内存限制）
数据结构	位图	数组	红黑树+队列
内核态/用户态拷贝	每次调用都拷贝	每次调用都拷贝	一次注册，减少拷贝
复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
Linux平台专属	否	否	是
推荐场景	描述符少的简单程序	中等复杂度程序	高性能服务器

三、使用场景总结

select：
- 描述符少的场景，跨平台代码，简单程序。
poll：
- 描述符稍多，不想受限于select限制，但不追求极高性能的跨平台场景。
epoll：
- Linux服务器开发、高性能网络服务，描述符较多的场景，如HTTP服务器、聊天室、消息队列服务等。

四、使用示例对比（以网络监听为例）

select示例：

fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(fd, &readfds);
select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

if (FD_ISSET(fd, &readfds)) {
    // 处理读事件
}

poll示例：

struct pollfd pfd;
pfd.fd = fd;
pfd.events = POLLIN;
poll(&pfd, 1, timeout);

if (pfd.revents & POLLIN) {
    // 处理读事件
}

epoll示例：

int epfd = epoll_create1(0);
epoll_event ev, events[10];

ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);

int nfds = epoll_wait(epfd, events, 10, timeout);
for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 处理读事件
    }
}