IO多路复用的三种机制Select，Poll，Epoll

Posted 2023-04-18

参考技术A

select、poll 和 epoll 都是 Linux API 提供的 IO 复用方式。

相信大家都了解了Unix五种IO模型，不了解的可以 => 查看这里

[1] blocking IO - 阻塞IO
[2] nonblocking IO - 非阻塞IO
[3] IO multiplexing - IO多路复用
[4] signal driven IO - 信号驱动IO
[5] asynchronous IO - 异步IO

其中前面4种IO都可以归类为synchronous IO - 同步IO，而select、poll、epoll本质上也都是同步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。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

在介绍select、poll、epoll之前，首先介绍一下Linux操作系统中 基础的概念 ：

我们先分析一下select函数

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);

【参数说明】
int maxfdp1 指定待测试的文件描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1。
fd_set *readset , fd_set *writeset , fd_set *exceptset
fd_set 可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄。中间的三个参数指定我们要让内核测试读、写和异常条件的文件描述符集合。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。
const struct timeval *timeout timeout 告知内核等待所指定文件描述符集合中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

【返回值】
int 若有就绪描述符返回其数目，若超时则为0，若出错则为-1

select()的机制中提供一种 fd_set 的数据结构，实际上是一个long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄（不管是Socket句柄,还是其他文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

poll的机制与select类似，与select在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。也就是说，poll只解决了上面的问题3，并没有解决问题1，2的性能开销问题。

下面是pll的函数原型：

poll改变了文件描述符集合的描述方式，使用了 pollfd 结构而不是select的 fd_set 结构，使得poll支持的文件描述符集合限制远大于select的1024

【参数说明】

struct pollfd *fds fds 是一个 struct pollfd 类型的数组，用于存放需要检测其状态的socket描述符，并且调用poll函数之后 fds 数组不会被清空；一个 pollfd 结构体表示一个被监视的文件描述符，通过传递 fds 指示 poll() 监视多个文件描述符。其中，结构体的 events 域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域，结构体的 revents 域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

nfds_t nfds 记录数组 fds 中描述符的总数量

【返回值】
int 函数返回fds集合中就绪的读、写，或出错的描述符数量，返回0表示超时，返回-1表示出错；

epoll在Linux2.6内核正式提出，是基于事件驱动的I/O方式，相对于select来说，epoll没有描述符个数限制，使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

Linux中提供的epoll相关函数如下：

1. epoll_create 函数创建一个epoll句柄，参数 size 表明内核要监听的描述符数量。调用成功时返回一个epoll句柄描述符，失败时返回-1。

2. epoll_ctl 函数注册要监听的事件类型。四个参数解释如下：

epoll_event 结构体定义如下：

3. epoll_wait 函数等待事件的就绪，成功时返回就绪的事件数目，调用失败时返回 -1，等待超时返回 0。

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

LT和ET原本应该是用于脉冲信号的，可能用它来解释更加形象。Level和Edge指的就是触发点，Level为只要处于水平，那么就一直触发，而Edge则为上升沿和下降沿的时候触发。比如：0->1 就是Edge，1->1 就是Level。

ET模式很大程度上减少了epoll事件的触发次数，因此效率比LT模式下高。

一张图总结一下select,poll,epoll的区别：

epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。目前流行的高性能web服务器nginx正式依赖于epoll提供的高效网络套接字轮询服务。但是，在并发连接不高的情况下，多线程+阻塞I/O方式可能性能更好。

既然select，poll，epoll都是I/O多路复用的具体的实现，之所以现在同时存在，其实他们也是不同历史时期的产物

三种多路复用IO实现方式：select，poll，epoll的区别

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。

此时需知道两个概念：

所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回。

所谓非阻塞方式non-block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生，则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高。

一.select()的机制中提供一fd_set的数据结构，实际上是一long类型的数组， 每一个数组元素都能与一打开的文件句柄（不管是Socket句柄，还是其他 文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成， 当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读或可写。主要用于Socket通信当中。

select使用：它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。准备就绪的描述符数，若超时则返回0，若出错则返回-1。

1.如果一个发现I/O有输入，读取的过程中，另外一个也有了输入，这时候不会产生任何反应.这就需要你的程序语句去用到select函数的时候才知道有数据输入。

2.程序去select的时候，如果没有数据输入，程序会一直等待(阻塞时)，直到有数据为止，也就是程序中无需循环和sleep。

#include <sys/types.h>

#include <sys/times.h>

#include <sys/select.h>

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

函数返回结果：当readfds或writefds中映象的文件可读或可写或超时，本次select()就结束返回。程序员利用一组系统提供的宏在select()结束时便可判断哪一文件可读或可写，对Socket编程特别有用的就是readfds。

注：不同的timeval设置使select()表现出超时结束、无超时阻塞和轮询三种特性（timeval可精确至百万分之一秒）。

select详细执行步骤：

（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。

从以上工作流程可得到select特点：

a.所监视的每种事件描述符个数有上限；

printf("%d\n",sizeof(fd_set));

我的linux系统所能关心事件应为128字节*8=1024个描述符

b.调用前后轮询；

使用select函数，必须使用辅助数组保存关心的描述符，因为select函数中描述符集是输入输出型参数，故在调用前应轮询数组重置描述符集，调用后得轮询描述符集判断关心事件是否就绪。

c.系统与用户数据拷贝：使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间。

d.调用前需重置（描述符集是输入输出型参数）。

二.poll:

poll的实现和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，其他的都差不多。

#include <poll.h>

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

监视描述符事件选项：

fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select()函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况；与select()十分相似，当返回正值时，代表满足响应事件的文件描述符的个数，如果返回0则代表在规定时间内没有事件发生。如发现返回为负则应该立即查看 errno，因为这代表有错误发生。

注：如果没有事件发生，revents会被清空。

poll特点：

1. 监视描述符个数无上限；

最大描述符+1，个数由fds数组决定。

2.监视事件与返回后事件状态反生分离，调用前后不需重置。

3.调用后轮询检测监视事件是否发生。

4.系统与用户数据拷贝：使用copy_from_user从用户空间拷贝fds到内核空间

三.epoll.

epoll是linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

epoll特点：

1.epoll和select和poll的调用接口上的不同。

select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

2.使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。

对于select和poll函数的系统与内核每次调用时的数据拷贝：epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的，在epoll_ctl函数中：每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

3.调用后不需轮询判断描述符事件是否就绪。

对于select和poll函数每次调用后轮询检测事件是否发生：epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表）。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（利用schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果）。

4.监视描述符没有个数上限。

epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,注：在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

5.IO效率不随FD数目增加而线性下降。

传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是“活跃”的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对“活跃”的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。只有“活跃”的socket才会主动的去调用 callback函数，其他idle状态socket则不会。

拓展：系统维护一颗红黑树（平衡搜索二叉树：稳定）存储监视描述符，和一张链表存储就绪的描述符。当每次注册或修改，删除新的文件描述符到epoll句柄中时，就会增加一个描述符到这课红黑树中（增删改查简单），当返回时检测链表上是否有节点，有节点则拷贝到用户传给它的那个描述符数组中。

epoll对于select和poll相比，显著优点是：

（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

总结：

poll和epoll适用于关心描述符个数多的应用程序。其中epoll对于每次只有很少描述符就绪很有优势（采用回调机制监测描述符就绪）。

综上：epoll是上面三个函数中效率最高的。

本文出自 “小止” 博客，请务必保留此出处http://10541556.blog.51cto.com/10531556/1784578