select，poll，epoll

Posted 2023-02-05 huaweitman

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就是通过一种机制，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。
I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数：对一个IO端口，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性。但关键是能实现同时对多个IO端口进行监听。
这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的是，这几个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

一、select

1.1 select进行IO复用原理

当一个客户端连接上服务器时，服务器就将其连接的fd加入fd_set集合，等到这个连接准备好读或写的时候，就通知程序进行IO操作，与客户端进行数据通信。大部分Unix/Linux 都支持 select 函数，该函数用于探测多个文件描述符的状态变化。

1.2 select函数原型

int select(  
     int maxfdp, //Winsock中此参数无意义  
     fd_set* readfds, //进行可读检测的Socket  
     fd_set* writefds, //进行可写检测的Socket  
     fd_set* exceptfds, //进行异常检测的Socket  
     const struct timeval* timeout //非阻塞模式中设置最大等待时间  
)  

1.3 使用select的步骤

（1） 创建所关注的事件的描述符集合（fd_set)，对于一个描述符，可以关注其上面的读(read)、写(write)、异常(exception)事件，所以通常，要创建三个fd_set，一个用来收集关注读事件的描述符，一个用来收集关注写事件的描述符，另外一个用来收集关注异常事件的描述符集合。
（2）调用select()等待事件发生。这里需要注意的一点是，select的阻塞与是否设置非阻塞I/O是没有关系的。
（3） 轮询所有fd_set中的每一个fd，检查是否有相应的事件发生，如果有，就进行处理。

1.4 select的优缺点

优点：
相比其他模型，使用 select() 的事件驱动模型只用单线程（进程）执行，占用资源少，不消耗太多 CPU，同时能够为多客户端提供服务。如果试图建立一个简单的事件驱动的服务器程序，这个模型有一定的参考价值。
缺点：
（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大！！！（复制大量句柄数据结构，产生巨大的开销 ）。
（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大！！！（消耗大量时间去轮询各个句柄，才能发现哪些句柄发生了事件）。
（3）单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，32位机默认是1024。
（4）select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。
（5）该模型将事件探测和事件响应夹杂在一起，一旦事件响应的执行体庞大，则对整个模型是灾难性的。

二、pool

poll库是在linux2.1.23中引入的，windows平台不支持poll。poll本质上和select没有太大区别，都是先创建一个关注事件的描述符的集合，然后再去等待这些事件发生，然后再轮询描述符集合，检查有没有事件发生，如果有，就进行处理。因此，poll有着与select相似的处理流程：

（1）创建描述符集合，设置关注的事件
（2）调用poll()，等待事件发生。下面是poll的原型：
        int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
        类似select，poll也可以设置等待时间，效果与select一样。
（3）轮询描述符集合，检查事件，处理事件。

2.1 poll与select的主要区别

（1）select需要为读、写、异常事件分别创建一个描述符集合，最后轮询的时候，需要分别轮询这三个集合。而poll只需要一个集合，在每个描述符对应的结构上分别设置读、写、异常事件，最后轮询的时候，可以同时检查三种事件。
（2）它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。

2.2 缺点

（1）大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。
（2）poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

三、epool

3.1 epool概述

poll和select，它们的最大的问题就在于效率。它们的处理方式都是创建一个事件列表，然后把这个列表发给内核，返回的时候，再去轮询检查这个列表，这样在描述符比较多的应用中，效率就显得比较低下了。
epoll是一种比较好的做法，它把描述符列表交给内核，一旦有事件发生，内核把发生事件的描述符列表通知给进程，这样就避免了轮询整个描述符列表。
epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。
epoll与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。

3.2 epoll的使用步骤

（1）创建一个epoll描述符，调用epoll_create()来完成。epoll_create()有一个整型的参数size，用来告诉内核，要创建一个有size个描述符的事件列表（集合）。

int epoll_create(int size)

（2）给描述符设置所关注的事件，并把它添加到内核的事件列表中。这里需要调用epoll_ctl()来完成。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

（3）等待内核通知事件发生，得到发生事件的描述符的结构列表。该过程由epoll_wait()完成。得到事件列表后，就可以进行事件处理了。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)

3.3 epoll的优点

（1）没有最大并发连接的限制，能打开FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；

（2）效率提升。不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；
即epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，epoll的效率就会远远高于select和poll。
（3）内存拷贝。epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现消息传递的。利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap 减少复制开销。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次（select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次）。