epoll比select和poll高效的原因

我们通过比较select、poll和epoll处理I/O的过程来剖析其中的原因：

1. 用户态将文件描述符传入内核的方式：

select：创建3个文件描述符集并拷贝到内核中,分别监听读、写、异常动作。这里受到单个进程可以打开的fd数量限制,默认是1024。
poll：将传入的struct pollfd结构体数组拷贝到内核中进行监听。
epoll：执行epoll_create会在内核的高速cache区中建立一颗红黑树以及就绪链表(该链表存储已经就绪的文件描述符)。接着用户执行的epoll_ctl函数添加文件描述符会在红黑树上增加相应的结点。

2. 内核态检测文件描述符是否可读可写的方式：

select：采用轮询方式,遍历所有fd,最后返回一个描述符读写操作是否就绪的mask掩码,根据这个掩码给fd_set赋值。
poll：同样采用轮询方式,查询每个fd的状态,如果就绪则在等待队列中加入一项并继续遍历。
epoll：采用回调机制。在执行epoll_ctl的add操作时,不仅将文件描述符放到红黑树上,而且也注册了回调函数,内核在检测到某文件描述符可读/可写时会调用回调函数,该回调函数将文件描述符放在就绪链表中。

3. 如何找到就绪的文件描述符并传递给用户态：

select：将之前传入的fd_set拷贝传出到用户态并返回就绪的文件描述符总数。用户态并不知道是哪些文件描述符处于就绪态,需要遍历来判断。
poll：将之前传入的fd数组拷贝传出用户态并返回就绪的文件描述符总数。用户态并不知道是哪些文件描述符处于就绪态,需要遍历来判断。
epoll：epoll_wait只用观察就绪链表中有无数据即可,最后将链表的数据返回给数组并返回就绪的数量。内核将就绪的文件描述符放在传入的数组中,所以只用遍历依次处理即可。这里返回的文件描述符是通过mmap让内核和用户空间共享同一块内存实现传递的,减少了不必要的拷贝。

4. 继续重新监听时如何重复以上步骤：

select：将新的监听文件描述符集合拷贝传入内核中,继续以上步骤。
poll：将新的struct pollfd结构体数组拷贝传入内核中,继续以上步骤。
epoll：无需重新构建红黑树,直接沿用已存在的即可。

通过以上步骤我们可以发现以下几点：

1. select和poll的动作基本一致,只是poll采用链表来进行文件描述符的存储,而select采用fd标注位来存放,所以select会受到最大连接数的限制,而poll不会。
2. select、poll、epoll虽然都会返回就绪的文件描述符数量。但是select和poll并不会明确指出是哪些文件描述符就绪,而epoll会。造成的区别就是,系统调用返回后,调用select和poll的程序需要遍历监听的整个文件描述符找到是谁处于就绪,而epoll则直接处理就行了。
3. select、poll都需要将有关文件描述符的数据结构拷贝进内核,最后再拷贝出来。而epoll创建的有关文件描述符的数据结构本身就存于内核态中,系统调用返回时也采用mmap共享存储区,需要拷贝的次数大大减少。
4. select、poll采用轮询的方式来检查文件描述符是否处于就绪态,而epoll采用回调机制。造成的结果就是,随着fd的增加,select和poll的效率会线性降低,而epoll不会受到太大影响,除非活跃的socket很多。

最后总结一下,epoll比select和poll高效的原因主要有两点：
1. 减少了用户态和内核态之间的文件描述符拷贝
2. 减少了对就绪文件描述符的遍历