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详解IO多路复用机制——select、poll、epoll的原理和区别

2023-10-11 06:54

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文章目录

🍑 1 概述

select、poll 以及 epoll 是 Linux 系统的三个系统调用，也是 IO 多路复用模型的具体实现。

由前文五种常见IO模型我们可以知道，IO 多路复用就是通过一个进程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的一种机制。

IO 多路复用的优点

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

主流 IO 多路复用机制的基准测试

🍑 2 select

#include #include int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,          const struct timeval *timeout);// return：表示此时有多少个监控的描述符就绪，若超时则为0，出错为-1。

select 函数监视的文件描述符分三类，分别是 writefds、readfds 和 exceptfds。

select 调用过程

1）用户进程需要监控某些资源 fds，在调用 select 函数后会阻塞，操作系统会将用户线程加入这些资源的等待队列中。

2）直到有描述副就绪（有数据可读、可写或有 except）或超时（timeout 指定等待时间，如果立即返回设为 null 即可），函数返回。

3）select 函数返回后，中断程序唤起用户线程。用户可以遍历 fds，通过 FD_ISSET 判断具体哪个 fd 收到数据，并做出相应处理。

select 函数优点明显，实现起来简单有效，且几乎所有操作系统都有对应的实现。

select 的缺点

1）每次调用 select 都需要将进程加入到所有监视 fd 的等待队列，每次唤醒都需要从每个队列中移除。 这里涉及了两次遍历，而且每次都要将整个 fd_set 列表传递给内核，有一定的开销。

2）当函数返回时，系统会将就绪描述符写入 fd_set 中，并将其拷贝到用户空间。进程被唤醒后，用户线程并不知道哪些 fd 收到数据，还需要遍历一次。

受 fd_set 的大小限制，32 位系统最多能监听 1024 个 fd，64 位最多监听 2048 个。

🍑 3 poll

int poll(struct pollfd* fds, int nfds, int timeout);// return：表示此时有多少个监控的描述符就绪，若超时则为0，出错为-1。

poll 函数与 select 原理相似，都需要来回拷贝全部监听的文件描述符，不同的是：

1）poll 函数采用链表的方式替代原来 select 中 fd_set 结构，因此可监听文件描述符数量不受限。

2）poll 函数返回后，可以通过 pollfd 结构中的内容进行处理就绪文件描述符，相比 select 效率要高。

3）新增水平触发：也就是通知程序 fd 就绪后，这次没有被处理，那么下次 poll 的时候会再次通知同个 fd 已经就绪。

poll 缺点

和 select 函数一样，poll 返回后，需要轮询 pollfd 来获取就绪的描述符。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

🍑 4 epoll

epoll 在 2.6 内核中提出，是之前的 select 和 poll 的增强版。

int epoll_create(int size)；//创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大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);

epoll 使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户进程监控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只需拷贝一次。

🍉 4.1 函数定义

epoll_create

创建一个 epoll 的句柄，参数 size 并非限制了 epoll 所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。

当 epoll 句柄创建后，它就会占用一个 fd 值，在 linux 中查看/proc/进程id/fd/，能够看到这个 fd，所以 epoll 使用完后，必须调用 close() 关闭，否则可能导致 fd 被耗尽。

epoll_ctl

事件注册函数，将需要监听的事件和需要监听的 fd 交给 epoll 对象。

OP 用三个宏来表示：添加（EPOLL_CTL_ADD）、删除（EPOLL_CTL_DEL）、修改（EPOLL_CTL_MOD）。分别表示添加、删除和修改 fd 的监听事件。

struct epoll_event {  __uint32_t events;    epoll_data_t data;  };//events可以是以下几个宏的集合：EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

通过 epoll_ctl 函数添加进来的事件都会被放在红黑树的某个节点内，所以，重复添加是没有用的。

当把事件添加进来的时候时候会完成关键的一步，那就是该事件都会与相应的设备驱动程序建立回调关系，当相应的事件发生后，就会调用这个回调函数，该回调函数在内核中被称为 ep_poll_callback，这个回调函数其实就所把这个事件添加到 rdllist 这个双向链表中。一旦有事件发生，epoll 就会将该事件添加到双向链表中。那么当我们调用 epoll_wait 时，epoll_wait 只需要检查 rdlist 双向链表中是否有存在注册的事件，效率非常可观。这里也需要将发生了的事件复制到用户态内存中即可。

上图我们可以看出，所有 FD 集合采用红黑树存储，就绪 FD 集合使用链表存储。这是因为就绪 FD 都需要处理，业务优先级需求，最好的选择便是线性数据结构。

epoll_wait

等待 epfd 上的 io 事件，最多返回 maxevents 个事件。参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。

1）epoll_wait调用ep_poll，当rdlist为空（无就绪fd）时挂起当前进程，直到rdlist不空时进程才被唤醒。

2）文件fd状态改变（buffer由不可读变为可读或由不可写变为可写），导致相应fd上的回调函数ep_poll_callback()被调用。

3）ep_poll_callback将相应fd对应epitem加入rdlist，导致rdlist不空，进程被唤醒，epoll_wait得以继续执行。

4）ep_events_transfer函数将rdlist中的epitem拷贝到txlist中，并将rdlist清空。

5）ep_send_events函数（很关键），它扫描txlist中的每个epitem，调用其关联fd对用的poll方法。此时对poll的调用仅仅是取得fd上较新的events（防止之前events被更新），之后将取得的events和相应的fd发送到用户空间（封装在struct epoll_event，从epoll_wait返回）。