三種多路復(fù)用IO實現(xiàn)方式：select，poll，epoll的區(qū)別

select，poll，epoll都是IO多路復(fù)用的機制。I/O多路復(fù)用就通過一種機制，可以監(jiān)視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程序進行相應(yīng)的讀寫操作。但select，poll，epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因為他們都需要在讀寫事件就緒后自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的，而異步I/O則無需自己負責進行讀寫，異步I/O的實現(xiàn)會負責把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

此時需知道兩個概念：

所謂阻塞方式block，顧名思義，就是進程或是線程執(zhí)行到這些函數(shù)時必須等待某個事件的發(fā)生，如果事件沒有發(fā)生，進程或線程就被阻塞，函數(shù)不能立即返回。

所謂非阻塞方式non-block，就是進程或線程執(zhí)行此函數(shù)時不必非要等待事件的發(fā)生，一旦執(zhí)行肯定返回，以返回值的不同來反映函數(shù)的執(zhí)行情況，如果事件發(fā)生則與阻塞方式相同，若事件沒有發(fā)生，則返回一個代碼來告知事件未發(fā)生，而進程或線程繼續(xù)執(zhí)行，所以效率較高。

一.select()的機制中提供一fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實際上是一long類型的數(shù)組， 每一個數(shù)組元素都能與一打開的文件句柄（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， 當調(diào)用select()時，由內(nèi)核根據(jù)IO狀態(tài)修改fd_set的內(nèi)容，由此來通知執(zhí)行了select()的進程哪一Socket或文件可讀或可寫。主要用于Socket通信當中。

select使用：它能夠監(jiān)視我們需要監(jiān)視的文件描述符的變化情況——讀寫或是異常。準備就緒的描述符數(shù)，若超時則返回0，若出錯則返回-1。

1.如果一個發(fā)現(xiàn)I/O有輸入，讀取的過程中，另外一個也有了輸入，這時候不會產(chǎn)生任何反應(yīng).這就需要你的程序語句去用到select函數(shù)的時候才知道有數(shù)據(jù)輸入。

2.程序去select的時候，如果沒有數(shù)據(jù)輸入，程序會一直等待(阻塞時)，直到有數(shù)據(jù)為止，也就是程序中無需循環(huán)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)

函數(shù)返回結(jié)果：當readfds或writefds中映象的文件可讀或可寫或超時，本次select()就結(jié)束返回。程序員利用一組系統(tǒng)提供的宏在select()結(jié)束時便可判斷哪一文件可讀或可寫，對Socket編程特別有用的就是readfds。

注：不同的timeval設(shè)置使select()表現(xiàn)出超時結(jié)束、無超時阻塞和輪詢?nèi)N特性（timeval可精確至百萬分之一秒）。

select詳細執(zhí)行步驟：

（1）使用copy_from_user從用戶空間拷貝fd_set到內(nèi)核空間

（2）注冊回調(diào)函數(shù)__pollwait

（3）遍歷所有fd，調(diào)用其對應(yīng)的poll方法（對于socket，這個poll方法是sock_poll，sock_poll根據(jù)情況會調(diào)用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

（4）以tcp_poll為例，其核心實現(xiàn)就是__pollwait，也就是上面注冊的回調(diào)函數(shù)。

（5）__pollwait的主要工作就是把current（當前進程）掛到設(shè)備的等待隊列中，不同的設(shè)備有不同的等待隊列，對于tcp_poll來說，其等待隊列是sk->sk_sleep（注意把進程掛到等待隊列中并不代表進程已經(jīng)睡眠了）。在設(shè)備收到一條消息（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）或填寫完文件數(shù)據(jù)（磁盤設(shè)備）后，會喚醒設(shè)備等待隊列上睡眠的進程，這時current便被喚醒了。

（6）poll方法返回時會返回一個描述讀寫操作是否就緒的mask掩碼，根據(jù)這個mask掩碼給fd_set賦值。

（7）如果遍歷完所有的fd，還沒有返回一個可讀寫的mask掩碼，則會調(diào)用schedule_timeout是調(diào)用select的進程（也就是current）進入睡眠。當設(shè)備驅(qū)動發(fā)生自身資源可讀寫后，會喚醒其等待隊列上睡眠的進程。如果超過一定的超時時間（schedule_timeout指定），還是沒人喚醒，則調(diào)用select的進程會重新被喚醒獲得CPU，進而重新遍歷fd，判斷有沒有就緒的fd。

（8）把fd_set從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。

從以上工作流程可得到select特點：

a.所監(jiān)視的每種事件描述符個數(shù)有上限；

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

我的linux系統(tǒng)所能關(guān)心事件應(yīng)為128字節(jié)*8=1024個描述符

b.調(diào)用前后輪詢；

使用select函數(shù)，必須使用輔助數(shù)組保存關(guān)心的描述符，因為select函數(shù)中描述符集是輸入輸出型參數(shù)，故在調(diào)用前應(yīng)輪詢數(shù)組重置描述符集，調(diào)用后得輪詢描述符集判斷關(guān)心事件是否就緒。

c.系統(tǒng)與用戶數(shù)據(jù)拷貝：使用copy_from_user從用戶空間拷貝fd_set到內(nèi)核空間。

d.調(diào)用前需重置（描述符集是輸入輸出型參數(shù)）。

二.poll:

poll的實現(xiàn)和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結(jié)構(gòu)而不是select的fd_set結(jié)構(gòu)，其他的都差不多。

#include <poll.h>

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

監(jiān)視描述符事件選項：

fds：是一個struct pollfd結(jié)構(gòu)類型的數(shù)組，用于存放需要檢測其狀態(tài)的Socket描述符；每當調(diào)用這個函數(shù)之后，系統(tǒng)不會清空這個數(shù)組，操作起來比較方便；特別是對于socket連接比較多的情況下，在一定程度上可以提高處理的效率；這一點與select()函數(shù)不同，調(diào)用select()函數(shù)之后，select()函數(shù)會清空它所檢測的socket描述符集合，導(dǎo)致每次調(diào)用select()之前都必須把socket描述符重新加入到待檢測的集合中；因此，select()函數(shù)適合于只檢測一個socket描述符的情況，而poll()函數(shù)適合于大量socket描述符的情況；與select()十分相似，當返回正值時，代表滿足響應(yīng)事件的文件描述符的個數(shù)，如果返回0則代表在規(guī)定時間內(nèi)沒有事件發(fā)生。如發(fā)現(xiàn)返回為負則應(yīng)該立即查看 errno，因為這代表有錯誤發(fā)生。

注：如果沒有事件發(fā)生，revents會被清空。

poll特點：

1. 監(jiān)視描述符個數(shù)無上限；

最大描述符+1，個數(shù)由fds數(shù)組決定。

2.監(jiān)視事件與返回后事件狀態(tài)反生分離，調(diào)用前后不需重置。

3.調(diào)用后輪詢檢測監(jiān)視事件是否發(fā)生。

4.系統(tǒng)與用戶數(shù)據(jù)拷貝：使用copy_from_user從用戶空間拷貝fds到內(nèi)核空間

三.epoll.

epoll是linux內(nèi)核為處理大批量文件描述符而作了改進的poll，是Linux下多路復(fù)用IO接口select/poll的增強版本，它能顯著提高程序在大量并發(fā)連接中中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。另一點原因就是獲取事件的時候，它無須遍歷整個被偵聽的描述符集，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。

epoll特點：

1.epoll和select和poll的調(diào)用接口上的不同。

select和poll都只提供了一個函數(shù)——select或者poll函數(shù)。而epoll提供了三個函數(shù)，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是創(chuàng)建一個epoll句柄；epoll_ctl是注冊要監(jiān)聽的事件類型；epoll_wait則是等待事件的產(chǎn)生。

2.使用mmap加速內(nèi)核與用戶空間的消息傳遞。

對于select和poll函數(shù)的系統(tǒng)與內(nèi)核每次調(diào)用時的數(shù)據(jù)拷貝：epoll是通過內(nèi)核與用戶空間mmap同一塊內(nèi)存實現(xiàn)的，在epoll_ctl函數(shù)中：每次注冊新的事件到epoll句柄中時（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會把所有的fd拷貝進內(nèi)核，而不是在epoll_wait的時候重復(fù)拷貝。epoll保證了每個fd在整個過程中只會拷貝一次。

3.調(diào)用后不需輪詢判斷描述符事件是否就緒。

對于select和poll函數(shù)每次調(diào)用后輪詢檢測事件是否發(fā)生：epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把current輪流加入fd對應(yīng)的設(shè)備等待隊列中，而只在epoll_ctl時把current掛一遍（這一遍必不可少）并為每個fd指定一個回調(diào)函數(shù)，當設(shè)備就緒，喚醒等待隊列上的等待者時，就會調(diào)用這個回調(diào)函數(shù)，而這個回調(diào)函數(shù)會把就緒的fd加入一個就緒鏈表）。epoll_wait的工作實際上就是在這個就緒鏈表中查看有沒有就緒的fd（利用schedule_timeout()實現(xiàn)睡一會，判斷一會的效果）。

4.監(jiān)視描述符沒有個數(shù)上限。

epoll沒有這個限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數(shù)目，這個數(shù)字一般遠大于2048,注：在1GB內(nèi)存的機器上大約是10萬左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大。

5.IO效率不隨FD數(shù)目增加而線性下降。

傳統(tǒng)的select/poll另一個致命弱點就是當你擁有一個很大的socket集合，不過由于網(wǎng)絡(luò)延時，任一時間只有部分的socket是“活躍”的，但是select/poll每次調(diào)用都會線性掃描全部的集合，導(dǎo)致效率呈現(xiàn)線性下降。但是epoll不存在這個問題，它只會對“活躍”的socket進行操作---這是因為在內(nèi)核實現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個fd上面的callback函數(shù)實現(xiàn)的。只有“活躍”的socket才會主動的去調(diào)用 callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會。

拓展：系統(tǒng)維護一顆紅黑樹（平衡搜索二叉樹：穩(wěn)定）存儲監(jiān)視描述符，和一張鏈表存儲就緒的描述符。當每次注冊或修改，刪除新的文件描述符到epoll句柄中時，就會增加一個描述符到這課紅黑樹中（增刪改查簡單），當返回時檢測鏈表上是否有節(jié)點，有節(jié)點則拷貝到用戶傳給它的那個描述符數(shù)組中。

epoll對于select和poll相比，顯著優(yōu)點是：

（1）select，poll實現(xiàn)需要自己不斷輪詢所有fd集合，直到設(shè)備就緒，期間可能要睡眠和喚醒多次交替。而epoll其實也需要調(diào)用epoll_wait不斷輪詢就緒鏈表，期間也可能多次睡眠和喚醒交替，但是它是設(shè)備就緒時，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把就緒fd放入就緒鏈表中，并喚醒在epoll_wait中進入睡眠的進程。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時候要遍歷整個fd集合，而epoll在“醒著”的時候只要判斷一下就緒鏈表是否為空就行了，這節(jié)省了大量的CPU時間。這就是回調(diào)機制帶來的性能提升。

（2）select，poll每次調(diào)用都要把fd集合從用戶態(tài)往內(nèi)核態(tài)拷貝一次，并且要把current往設(shè)備等待隊列中掛一次，而epoll只要一次拷貝，而且把current往等待隊列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開始，注意這里的等待隊列并不是設(shè)備等待隊列，只是一個epoll內(nèi)部定義的等待隊列）。這也能節(jié)省不少的開銷。

總結(jié)：

select

  select能監(jiān)控的描述符個數(shù)由內(nèi)核中的FD_SETSIZE限制，僅為1024，這也是select最大的缺點，因   為現(xiàn)在的服務(wù)器并發(fā)量遠遠不止1024。即使能重新編譯內(nèi)核改變FD_SETSIZE的值，但這并不能提高   select的性能。

• 每次調(diào)用select都會線性掃描所有描述符的狀態(tài)，在select結(jié)束后，用戶也要線性掃描fd_set數(shù)組才知道哪些描述符準備就緒，等于說每次調(diào)用復(fù)雜度都是O（n）的，在并發(fā)量大的情況下，每次掃描都是相當耗時的，很有可能有未處理的連接等待超時。

• 每次調(diào)用select都要在用戶空間和內(nèi)核空間里進行內(nèi)存復(fù)制fd描述符等信息。

poll

• poll使用pollfd結(jié)構(gòu)來存儲fd，突破了select中描述符數(shù)目的限制。

• 與select的后兩點類似，poll仍然需要將pollfd數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，之后依次掃描fd的狀態(tài)，整體復(fù)雜度依然是O（n）的，在并發(fā)量大的情況下服務(wù)器性能會快速下降。

epoll

• epoll維護的描述符數(shù)目不受到限制，而且性能不會隨著描述符數(shù)目的增加而下降。

• 服務(wù)器的特點是經(jīng)常維護著大量連接，但其中某一時刻讀寫的操作符數(shù)量卻不多。epoll先通過epoll_ctl注冊一個描述符到內(nèi)核中，并一直維護著而不像poll每次操作都將所有要監(jiān)控的描述符傳遞給內(nèi)核；在描述符讀寫就緒時，通過回掉函數(shù)將自己加入就緒隊列中，之后epoll_wait返回該就緒隊列。也就是說，epoll基本不做無用的操作，時間復(fù)雜度僅與活躍的客戶端數(shù)有關(guān)，而不會隨著描述符數(shù)目的增加而下降。

• epoll在傳遞內(nèi)核與用戶空間的消息時使用了內(nèi)存共享，而不是內(nèi)存拷貝，這也使得epoll的效率比poll和select更高。

poll和epoll適用于關(guān)心描述符個數(shù)多的應(yīng)用程序。其中epoll對于每次只有很少描述符就緒很有優(yōu)勢（采用回調(diào)機制監(jiān)測描述符就緒）。

綜上：epoll是上面三個函數(shù)中效率最高的。