select，poll，epoll都是IO多路復(fù)用的機(jī)制。I/O多路復(fù)用就通過(guò)一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個(gè)描述符，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是讀就緒或者寫(xiě)就緒），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。但select，poll，epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫(xiě)事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫(xiě)，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫(xiě)過(guò)程是阻塞的，而異步I/O則無(wú)需自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫(xiě)，異步I/O的實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

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此時(shí)需知道兩個(gè)概念：

所謂阻塞方式block，顧名思義，就是進(jìn)程或是線程執(zhí)行到這些函數(shù)時(shí)必須等待某個(gè)事件的發(fā)生，如果事件沒(méi)有發(fā)生，進(jìn)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(jìn)程或線程執(zhí)行此函數(shù)時(shí)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(lái)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(méi)有發(fā)生，則返回一個(gè)代碼來(lái)告知事件未發(fā)生，而進(jìn)程或線程繼續(xù)執(zhí)行，所以效率較高。

一.select()的機(jī)制中提供一fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是一long類(lèi)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或文件可讀或可寫(xiě)。主要用于Socket通信當(dāng)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(xiě)或是異常。準(zhǔn)備就緒的描述符數(shù)，若超時(shí)則返回0，若出錯(cuò)則返回-1。

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

2.程序去select的時(shí)候，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)輸入，程序會(huì)一直等待(阻塞時(shí))，直到有數(shù)據(jù)為止，也就是程序中無(wú)需循環(huán)和sleep。

#include

#include

#include

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(dāng)readfds或writefds中映象的文件可讀或可寫(xiě)或超時(shí)，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(shí)便可判斷哪一文件可讀或可寫(xiě)，對(duì)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(shí)結(jié)束、無(wú)超時(shí)阻塞和輪詢?nèi)N特性（timeval可精確至百萬(wàn)分之一秒）。

select詳細(xì)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(cè)回調(diào)函數(shù)__pollwait

（3）遍歷所有fd，調(diào)用其對(duì)應(yīng)的poll方法（對(duì)于socket，這個(gè)poll方法是sock_poll，sock_poll根據(jù)情況會(huì)調(diào)用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

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

（5）__pollwait的主要工作就是把current（當(dāng)前進(jìn)程）掛到設(shè)備的等待隊(duì)列中，不同的設(shè)備有不同的等待隊(duì)列，對(duì)于tcp_poll來(lái)說(shuō)，其等待隊(duì)列是sk->sk_sleep（注意把進(jìn)程掛到等待隊(duì)列中并不代表進(jìn)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(xiě)完文件數(shù)據(jù)（磁盤(pán)設(shè)備）后，會(huì)喚醒設(shè)備等待隊(duì)列上睡眠的進(jìn)程，這時(shí)current便被喚醒了。

（6）poll方法返回時(shí)會(huì)返回一個(gè)描述讀寫(xiě)操作是否就緒的mask掩碼，根據(jù)這個(gè)mask掩碼給fd_set賦值。

（7）如果遍歷完所有的fd，還沒(méi)有返回一個(gè)可讀寫(xiě)的mask掩碼，則會(huì)調(diào)用schedule_timeout是調(diào)用select的進(jìn)程（也就是current）進(jìn)入睡眠。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)生自身資源可讀寫(xiě)后，會(huì)喚醒其等待隊(duì)列上睡眠的進(jìn)程。如果超過(guò)一定的超時(shí)時(shí)間（schedule_timeout指定），還是沒(méi)人喚醒，則調(diào)用select的進(jìn)程會(huì)重新被喚醒獲得CPU，進(jìn)而重新遍歷fd，判斷有沒(méi)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(diǎn)：

a.所監(jiān)視的每種事件描述符個(gè)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(gè)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?yàn)閟elect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(shí)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

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

監(jiān)視描述符事件選項(xiàng)：

fds：是一個(gè)struct pollfd結(jié)構(gòu)類(lèi)型的數(shù)組，用于存放需要檢測(cè)其狀態(tài)的Socket描述符；每當(dāng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)之后，系統(tǒng)不會(huì)清空這個(gè)數(shù)組，操作起來(lái)比較方便；特別是對(duì)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(diǎn)與select()函數(shù)不同，調(diào)用select()函數(shù)之后，select()函數(shù)會(huì)清空它所檢測(cè)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(cè)的集合中；因此，select()函數(shù)適合于只檢測(cè)一個(gè)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(dāng)返回正值時(shí)，代表滿足響應(yīng)事件的文件描述符的個(gè)數(shù)，如果返回0則代表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有事件發(fā)生。如發(fā)現(xiàn)返回為負(fù)則應(yīng)該立即查看 errno，因?yàn)檫@代表有錯(cuò)誤發(fā)生。

注：如果沒(méi)有事件發(fā)生，revents會(huì)被清空。

poll特點(diǎn)：

1. 監(jiān)視描述符個(gè)數(shù)無(wú)上限；

最大描述符+1，個(gè)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(cè)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(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)連接中中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。另一點(diǎn)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。

epoll特點(diǎn)：

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(gè)函數(shù)——select或者poll函數(shù)。而epoll提供了三個(gè)函數(shù)，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是創(chuàng)建一個(gè)epoll句柄；epoll_ctl是注冊(cè)要監(jiān)聽(tīng)的事件類(lèi)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(duì)于select和poll函數(shù)的系統(tǒng)與內(nèi)核每次調(diào)用時(shí)的數(shù)據(jù)拷貝：epoll是通過(guò)內(nèi)核與用戶空間mmap同一塊內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的，在epoll_ctl函數(shù)中：每次注冊(cè)新的事件到epoll句柄中時(shí)（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會(huì)把所有的fd拷貝進(jìn)內(nèi)核，而不是在epoll_wait的時(shí)候重復(fù)拷貝。epoll保證了每個(gè)fd在整個(gè)過(guò)程中只會(huì)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(duì)于select和poll函數(shù)每次調(diào)用后輪詢檢測(cè)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(duì)應(yīng)的設(shè)備等待隊(duì)列中，而只在epoll_ctl時(shí)把current掛一遍（這一遍必不可少）并為每個(gè)fd指定一個(gè)回調(diào)函數(shù)，當(dāng)設(shè)備就緒，喚醒等待隊(duì)列上的等待者時(shí)，就會(huì)調(diào)用這個(gè)回調(diào)函數(shù)，而這個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)把就緒的fd加入一個(gè)就緒鏈表）。epoll_wait的工作實(shí)際上就是在這個(gè)就緒鏈表中查看有沒(méi)有就緒的fd（利用schedule_timeout()實(shí)現(xiàn)睡一會(huì)，判斷一會(huì)的效果）。

4.監(jiān)視描述符沒(méi)有個(gè)數(shù)上限。

epoll沒(méi)有這個(gè)限制，它所支持的FD上限是最大可以打開(kāi)文件的數(shù)目，這個(gè)數(shù)字一般遠(yuǎn)大于2048,注：在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬(wàn)左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來(lái)說(shuō)這個(gè)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(gè)致命弱點(diǎn)就是當(dāng)你擁有一個(gè)很大的socket集合，不過(guò)由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，任一時(shí)間只有部分的socket是“活躍”的，但是select/poll每次調(diào)用都會(huì)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(gè)問(wèn)題，它只會(huì)對(duì)“活躍”的socket進(jìn)行操作---這是因?yàn)樵趦?nèi)核實(shí)現(xiàn)中epoll是根據(jù)每個(gè)fd上面的callback函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。只有“活躍”的socket才會(huì)主動(dòng)的去調(diào)用 callback函數(shù)，其他idle狀態(tài)socket則不會(huì)。

拓展：系統(tǒng)維護(hù)一顆紅黑樹(shù)（平衡搜索二叉樹(shù)：穩(wěn)定）存儲(chǔ)監(jiān)視描述符，和一張鏈表存儲(chǔ)就緒的描述符。當(dāng)每次注冊(cè)或修改，刪除新的文件描述符到epoll句柄中時(shí)，就會(huì)增加一個(gè)描述符到這課紅黑樹(shù)中（增刪改查簡(jiǎn)單），當(dāng)返回時(shí)檢測(cè)鏈表上是否有節(jié)點(diǎn)，有節(jié)點(diǎn)則拷貝到用戶傳給它的那個(gè)描述符數(shù)組中。

epoll對(duì)于select和poll相比，顯著優(yōu)點(diǎn)是：

（1）select，poll實(shí)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(shí)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(shí)，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(jìn)入睡眠的進(jìn)程。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時(shí)候要遍歷整個(gè)fd集合，而epoll在“醒著”的時(shí)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(shí)間。這就是回調(diào)機(jī)制帶來(lái)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(duì)列中掛一次，而epoll只要一次拷貝，而且把current往等待隊(duì)列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開(kāi)始，注意這里的等待隊(duì)列并不是設(shè)備等待隊(duì)列，只是一個(gè)epoll內(nèi)部定義的等待隊(duì)列）。這也能節(jié)省不少的開(kāi)銷(xiāo)。

總結(jié)：

select

  select能監(jiān)控的描述符個(gè)數(shù)由內(nèi)核中的FD_SETSIZE限制，僅為1024，這也是select最大的缺點(diǎn)，因   為現(xiàn)在的服務(wù)器并發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)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(zhǔn)備就緒，等于說(shuō)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(dāng)耗時(shí)的，很有可能有未處理的連接等待超時(shí)。

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

poll

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

• 與select的后兩點(diǎn)類(lèi)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(huì)快速下降。

epoll

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

• 服務(wù)器的特點(diǎn)是經(jīng)常維護(hù)著大量連接，但其中某一時(shí)刻讀寫(xiě)的操作符數(shù)量卻不多。epoll先通過(guò)epoll_ctl注冊(cè)一個(gè)描述符到內(nèi)核中，并一直維護(hù)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(xiě)就緒時(shí)，通過(guò)回掉函數(shù)將自己加入就緒隊(duì)列中，之后epoll_wait返回該就緒隊(duì)列。也就是說(shuō)，epoll基本不做無(wú)用的操作，時(shí)間復(fù)雜度僅與活躍的客戶端數(shù)有關(guān)，而不會(huì)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(shí)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(gè)數(shù)多的應(yīng)用程序。其中epoll對(duì)于每次只有很少描述符就緒很有優(yōu)勢(shì)（采用回調(diào)機(jī)制監(jiān)測(cè)描述符就緒）。

綜上：epoll是上面三個(gè)函數(shù)中效率最高的。