目錄

1. IO多路復(fù)用

2.操作系統(tǒng)基礎(chǔ)概念

3.Select

4.Poll

5.Epoll

6.總結(jié)

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1. IO多路復(fù)用

I/O多路復(fù)用（multiplexing）的本質(zhì)是通過(guò)一種機(jī)制（系統(tǒng)內(nèi)核緩沖I/O數(shù)據(jù)），讓單個(gè)進(jìn)程可以監(jiān)視多個(gè)文件描述符，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是讀就緒或?qū)懢途w），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作

select、poll 和 epoll 都是 Linux API 提供的 IO 復(fù)用方式。

相信大家都了解了Unix五種IO模型，不了解的可以 => 查看這里

[1] blocking IO - 阻塞IO
[2] nonblocking IO - 非阻塞IO
[3] IO multiplexing - IO多路復(fù)用
[4] signal driven IO - 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO
[5] asynchronous IO - 異步IO

其中前面4種IO都可以歸類為synchronous IO - 同步IO，而select、poll、epoll本質(zhì)上也都是同步I/O，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫過(guò)程是阻塞的。

與多進(jìn)程和多線程技術(shù)相比，I/O多路復(fù)用技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)開(kāi)銷小，系統(tǒng)不必創(chuàng)建進(jìn)程/線程，也不必維護(hù)這些進(jìn)程/線程，從而大大減小了系統(tǒng)的開(kāi)銷。

2.操作系統(tǒng)基礎(chǔ)概念

在介紹select、poll、epoll之前，首先介紹一下Linux操作系統(tǒng)中基礎(chǔ)的概念：

• 用戶空間 / 內(nèi)核空間
  現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是采用虛擬存儲(chǔ)器，那么對(duì)32位操作系統(tǒng)而言，它的尋址空間（虛擬存儲(chǔ)空間）為4G（2的32次方）。
  操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間，也有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保證用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核（kernel），保證內(nèi)核的安全，操作系統(tǒng)將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為內(nèi)核空間，一部分為用戶空間。
• 進(jìn)程切換
  為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。這種行為被稱為進(jìn)程切換。因此可以說(shuō)，任何進(jìn)程都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行的，是與內(nèi)核緊密相關(guān)的，并且進(jìn)程切換是非常耗費(fèi)資源的。
• 進(jìn)程阻塞
  正在執(zhí)行的進(jìn)程，由于期待的某些事件未發(fā)生，如請(qǐng)求系統(tǒng)資源失敗、等待某種操作的完成、新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)或無(wú)新工作做等，則由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語(yǔ)(Block)，使自己由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。可見(jiàn)，進(jìn)程的阻塞是進(jìn)程自身的一種主動(dòng)行為，也因此只有處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程（獲得了CPU資源），才可能將其轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，是不占用CPU資源的。
• 文件描述符
  文件描述符（File descriptor）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，是一個(gè)用于表述指向文件的引用的抽象化概念。
  文件描述符在形式上是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。實(shí)際上，它是一個(gè)索引值，指向內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程所維護(hù)的該進(jìn)程打開(kāi)文件的記錄表。當(dāng)程序打開(kāi)一個(gè)現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符。在程序設(shè)計(jì)中，一些涉及底層的程序編寫往往會(huì)圍繞著文件描述符展開(kāi)。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux這樣的操作系統(tǒng)。
• 緩存I/O
  緩存I/O又稱為標(biāo)準(zhǔn)I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn)I/O操作都是緩存I/O。在Linux的緩存I/O機(jī)制中，操作系統(tǒng)會(huì)將I/O的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁(yè)緩存中，即數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。

3.Select

我們先分析一下select函數(shù)

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

【參數(shù)說(shuō)明】
int maxfdp1 指定待測(cè)試的文件描述字個(gè)數(shù)，它的值是待測(cè)試的最大描述字加1。

fd_set *readset , fd_set *writeset , fd_set *exceptset

fd_set可以理解為一個(gè)集合，這個(gè)集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄。中間的三個(gè)參數(shù)指定我們要讓內(nèi)核測(cè)試讀、寫和異常條件的文件描述符集合。如果對(duì)某一個(gè)的條件不感興趣，就可以把它設(shè)為空指針。

const struct timeval *timeout

timeout告知內(nèi)核等待所指定文件描述符集合中的任何一個(gè)就緒可花多少時(shí)間。其timeval結(jié)構(gòu)用于指定這段時(shí)間的秒數(shù)和微秒數(shù)。

【返回值】
int 若有就緒描述符返回其數(shù)目，若超時(shí)則為0，若出錯(cuò)則為-1

select運(yùn)行機(jī)制

select()的機(jī)制中提供一種fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是一個(gè)long類型的數(shù)組，每一個(gè)數(shù)組元素都能與一打開(kāi)的文件句柄（不管是Socket句柄,還是其他文件或命名管道或設(shè)備句柄）建立聯(lián)系，建立聯(lián)系的工作由程序員完成，當(dāng)調(diào)用select()時(shí)，由內(nèi)核根據(jù)IO狀態(tài)修改fd_set的內(nèi)容，由此來(lái)通知執(zhí)行了select()的進(jìn)程哪一Socket或文件可讀。

從流程上來(lái)看，使用select函數(shù)進(jìn)行IO請(qǐng)求和同步阻塞模型沒(méi)有太大的區(qū)別，甚至還多了添加監(jiān)視socket，以及調(diào)用select函數(shù)的額外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的優(yōu)勢(shì)是用戶可以在一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)socket的IO請(qǐng)求。用戶可以注冊(cè)多個(gè)socket，然后不斷地調(diào)用select讀取被激活的socket，即可達(dá)到在同一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)IO請(qǐng)求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過(guò)多線程的方式才能達(dá)到這個(gè)目的。

select機(jī)制的問(wèn)題

每次調(diào)用select，都需要把fd_set集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，如果fd_set集合很大時(shí)，那這個(gè)開(kāi)銷也很大

同時(shí)每次調(diào)用select都需要在內(nèi)核遍歷傳遞進(jìn)來(lái)的所有fd_set，如果fd_set集合很大時(shí)，那這個(gè)開(kāi)銷也很大

為了減少數(shù)據(jù)拷貝帶來(lái)的性能損壞，內(nèi)核對(duì)被監(jiān)控的fd_set集合大小做了限制，并且這個(gè)是通過(guò)宏控制的，大小不可改變(限制為1024)

4.Poll

poll的機(jī)制與select類似，與select在本質(zhì)上沒(méi)有多大差別，管理多個(gè)描述符也是進(jìn)行輪詢，根據(jù)描述符的狀態(tài)進(jìn)行處理，但是poll沒(méi)有最大文件描述符數(shù)量的限制。也就是說(shuō)，poll只解決了上面的問(wèn)題3，并沒(méi)有解決問(wèn)題1，2的性能開(kāi)銷問(wèn)題。

下面是pll的函數(shù)原型：

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);typedef struct pollfd {int fd; // 需要被檢測(cè)或選擇的文件描述符short events; // 對(duì)文件描述符fd上感興趣的事件short revents; // 文件描述符fd上當(dāng)前實(shí)際發(fā)生的事件 } pollfd_t;

poll改變了文件描述符集合的描述方式，使用了pollfd結(jié)構(gòu)而不是select的fd_set結(jié)構(gòu)，使得poll支持的文件描述符集合限制遠(yuǎn)大于select的1024。

【參數(shù)說(shuō)明】

struct pollfd *fds

fds是一個(gè)struct pollfd類型的數(shù)組，用于存放需要檢測(cè)其狀態(tài)的socket描述符，并且調(diào)用poll函數(shù)之后fds數(shù)組不會(huì)被清空；一個(gè)pollfd結(jié)構(gòu)體表示一個(gè)被監(jiān)視的文件描述符，通過(guò)傳遞fds指示 poll() 監(jiān)視多個(gè)文件描述符。其中，結(jié)構(gòu)體的events域是監(jiān)視該文件描述符的事件掩碼，由用戶來(lái)設(shè)置這個(gè)域，結(jié)構(gòu)體的revents域是文件描述符的操作結(jié)果事件掩碼，內(nèi)核在調(diào)用返回時(shí)設(shè)置這個(gè)域

nfds_t nfds

記錄數(shù)組fds中描述符的總數(shù)量

【返回值】
int

數(shù)返回fds集合中就緒的讀、寫，或出錯(cuò)的描述符數(shù)量，返回0表示超時(shí)，返回-1表示出錯(cuò)；

5.Epoll

epoll在Linux2.6內(nèi)核正式提出，是基于事件驅(qū)動(dòng)的I/O方式，相對(duì)于select來(lái)說(shuō)，epoll沒(méi)有描述符個(gè)數(shù)限制，使用一個(gè)文件描述符管理多個(gè)描述符，將用戶關(guān)心的文件描述符的事件存放到內(nèi)核的一個(gè)事件表中，這樣在用戶空間和內(nèi)核空間的copy只需一次。

Linux中提供的epoll相關(guān)函數(shù)如下：

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);

1. epoll_create 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)epoll句柄，參數(shù)size表明內(nèi)核要監(jiān)聽(tīng)的描述符數(shù)量。調(diào)用成功時(shí)返回一個(gè)epoll句柄描述符，失敗時(shí)返回-1。

2. epoll_ctl 函數(shù)注冊(cè)要監(jiān)聽(tīng)的事件類型。四個(gè)參數(shù)解釋如下：

• epfd 表示epoll句柄
• op 表示fd操作類型，有如下3種
  • EPOLL_CTL_ADD 注冊(cè)新的fd到epfd中
  • EPOLL_CTL_MOD 修改已注冊(cè)的fd的監(jiān)聽(tīng)事件
  • EPOLL_CTL_DEL 從epfd中刪除一個(gè)fd
• fd 是要監(jiān)聽(tīng)的描述符
• event 表示要監(jiān)聽(tīng)的事件

epoll_event 結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct epoll_event {__uint32_t events; /* Epoll events */epoll_data_t data; /* User data variable */ };typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;__uint32_t u32;__uint64_t u64; } epoll_data_t;

3. epoll_wait 函數(shù)等待事件的就緒，成功時(shí)返回就緒的事件數(shù)目，調(diào)用失敗時(shí)返回 -1，等待超時(shí)返回 0。

• epfd 是epoll句柄
• events 表示從內(nèi)核得到的就緒事件集合
• maxevents 告訴內(nèi)核events的大小
• timeout 表示等待的超時(shí)事件

epoll是Linux內(nèi)核為處理大批量文件描述符而作了改進(jìn)的poll，是Linux下多路復(fù)用IO接口select/poll的增強(qiáng)版本，它能顯著提高程序在大量并發(fā)連接中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。原因就是獲取事件的時(shí)候，它無(wú)須遍歷整個(gè)被偵聽(tīng)的描述符集，只要遍歷那些被內(nèi)核IO事件異步喚醒而加入Ready隊(duì)列的描述符集合就行了。

epoll除了提供select/poll那種IO事件的水平觸發(fā)（Level Triggered）外，還提供了邊緣觸發(fā)（Edge Triggered），這就使得用戶空間程序有可能緩存IO狀態(tài)，減少epoll_wait/epoll_pwait的調(diào)用，提高應(yīng)用程序效率。

• 水平觸發(fā)（LT）：默認(rèn)工作模式，即當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到某描述符事件就緒并通知應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)用程序可以不立即處理該事件；下次調(diào)用epoll_wait時(shí)，會(huì)再次通知此事件
• 邊緣觸發(fā)（ET）： 當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到某描述符事件就緒并通知應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)用程序必須立即處理該事件。如果不處理，下次調(diào)用epoll_wait時(shí)，不會(huì)再次通知此事件。（直到你做了某些操作導(dǎo)致該描述符變成未就緒狀態(tài)了，也就是說(shuō)邊緣觸發(fā)只在狀態(tài)由未就緒變?yōu)榫途w時(shí)只通知一次）。

LT和ET原本應(yīng)該是用于脈沖信號(hào)的，可能用它來(lái)解釋更加形象。Level和Edge指的就是觸發(fā)點(diǎn)，Level為只要處于水平，那么就一直觸發(fā)，而Edge則為上升沿和下降沿的時(shí)候觸發(fā)。比如：0->1 就是Edge，1->1 就是Level。

ET模式很大程度上減少了epoll事件的觸發(fā)次數(shù)，因此效率比LT模式下高。

6.總結(jié)

一張圖總結(jié)一下select,poll,epoll的區(qū)別：

selectpollepoll

操作方式	遍歷	遍歷	回調(diào)(文件描述符的事件存放到內(nèi)核的一個(gè)事件表中)
底層實(shí)現(xiàn)	數(shù)組	鏈表	紅黑樹
IO效率	輪詢，每次調(diào)用都進(jìn)行線性遍歷，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)	輪詢，每次調(diào)用都進(jìn)行線性遍歷，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)	事件通知方式，每當(dāng)fd就緒，系統(tǒng)注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，將就緒fd放到readyList里面，時(shí)間復(fù)雜度O(1)
最大連接數(shù)	1024（x86）或2048（x64）	無(wú)上限	無(wú)上限
fd拷貝	每次調(diào)用select，都需要把fd集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)	每次調(diào)用poll，都需要把fd集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)	調(diào)用epoll_ctl時(shí)拷貝進(jìn)內(nèi)核并保存，之后每次epoll_wait不拷貝

epoll是Linux目前大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)并發(fā)程序開(kāi)發(fā)的首選模型。在絕大多數(shù)情況下性能遠(yuǎn)超select和poll。目前流行的高性能web服務(wù)器Nginx正式依賴于epoll提供的高效網(wǎng)絡(luò)套接字輪詢服務(wù)。但是，在并發(fā)連接不高的情況下，多線程+阻塞I/O方式可能性能更好。

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既然select，poll，epoll都是I/O多路復(fù)用的具體的實(shí)現(xiàn)，之所以現(xiàn)在同時(shí)存在，其實(shí)他們也是不同歷史時(shí)期的產(chǎn)物

• select出現(xiàn)是1984年在BSD里面實(shí)現(xiàn)的
• 14年之后也就是1997年才實(shí)現(xiàn)了poll，其實(shí)拖那么久也不是效率問(wèn)題， 而是那個(gè)時(shí)代的硬件實(shí)在太弱，一臺(tái)服務(wù)器處理1千多個(gè)鏈接簡(jiǎn)直就是神一樣的存在了，select很長(zhǎng)段時(shí)間已經(jīng)滿足需求
• 2002, 大神 Davide Libenzi 實(shí)現(xiàn)了epoll

作者：似水牛年
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的IO多路复用的三种机制Select，Poll，Epoll的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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