关于 select、poll、epoll 的区别

1. 函数说明

1.1 select

/* According to POSIX.1-2001 */
#include 
/* According to earlier standards */
#include 
#include 
#include 

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

void FD_ZERO(fd_set *set);          //清空集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除
void FD_SET(int fd, fd_set *set);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

struct timeval {
   long    tv_sec;         /* seconds 秒*/
   long    tv_usec;        /* microseconds 微妙*/
};

该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发生，并在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才被唤醒。

• 第一个参数 nfds 指定待测试的描述符个数，其值为最大的文件描述符加1，描述符0、1、2...nfds-1均将被测试（因为文件描述符是从0开始的）。
• 中间的三个参数 readset、writeset、exceptset 指定我们要让内核测试读、写、异常条件的描述符。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为 NULL。struct fd_set 可以理解为一个集合（实际上是一long类型的数组），这个集合中存放的是文件描述符，可通过上面那四个函数进行设置。
• timeout 告知内核等待所指定描述符中的任何一个就绪最多等待时长。没有等到就绪就会超时。该参数控制三种可能：
  ① 传 NULL 时，一直阻塞直到有感兴趣的描述符上有IO事件就绪。
  ② timeval结构中指定的秒数和微秒数都是0，检查描述符后立即返回，不阻塞。
  ③ timeval结构中指定的秒数和微秒数指定了时长，在指定时长超时之前有 IO事件就绪返回，或者超时返回。

1.2 poll

#include 

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

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor 文件描述符 */
    short events;     /* requested events 等待的事件 */
    short revents;    /* returned events 实际发生了的事件 */
};

每一个 struct pollfd 结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，让 poll() 监视多个文件描述符。每个结构体的 events 域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents 域是文件描述符的操作结果事件掩码，内核在调用返回时设置这个域。events 域中请求的任何事件都可能在 revents 域中返回。

合法的事件如下：

常量	说明
POLLIN	普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM	普通数据可读
POLLRDBAND	优先级带数据可读
POLLPRI	高优先级数据可读
POLLOUT	普通数据可写
POLLWRNORM	普通数据可写
POLLWRBAND	优先级带数据可写
POLLERR	发生错误
POLLHUP	发生挂起
POLLNVAL	描述字不是一个打开的文件

POLLIN | POLLPRI 等价于 select() 的读事件
POLLOUT 等价于 select() 的写事件

① timeout 参数指定等待的毫秒数，在超时之前有 IO 事件就绪或者超时，poll 都会返回
② timeout 为负数值，表示一直阻塞直到一个指定事件发生，poll 才返回。
③ timeout 为0，poll 调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。

返回值和错误代码
成功时：poll() 返回结构体中 revents 域不为0的文件描述符个数。
超时后：如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0。
失败时：poll() 返回-1，并设置errno为下列值之一

EFAULT 　　 指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR　　　 请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL 　　 参数超出 PLIMIT_NOFILE 值。
ENOMEM 　 可用内存不足，无法完成请求。

1.3 epoll

#include 

int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
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);

typedef union epoll_data {
   void        *ptr;
   int          fd;
   __uint32_t   u32;
   __uint64_t   u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
   __uint32_t   events;      /* Epoll events */
   epoll_data_t data;        /* User data variable */
};

（1）创建 epoll 实例
现在一般使用 epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)，原因：

• 在linux 内核版本大于2.6.8 后，epoll_create(int size) 这个 size 参数就被弃用了，但是传入的值必须大于0。最初实现版本时， size参数的作用告诉内核需要使用多少个文件描述符。内核会使用 size 的大小去申请对应的内存。现在这个size参数不再使用了，内核会动态的申请需要的内存。
• 使用 epoll_create1() 的优点是它允许你指定标志，指定 EPOLL_CLOEXEC 标记在执行另一个进程时文件描述符会自动关闭。

（2）epoll 的事件注册
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
先注册要监听的事件类型。
第一个参数是 epoll_create1 的返回值
第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的监听事件
EPOLL_CTL_DEL ：从 epfd 中删除一个 fd

第三个参数是需要监听的 fd
第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event 结构见上面代码
events 可以是以下几个宏的集合：

常量	说明
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，LT是缺省的工作方式
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

LT (Level Triggered) 水平触发：默认的模式。内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你。

ET (Edge Triggered) 边缘触发：“高速”模式。内核只会提示一次，直到下次再有数据流入之前都不会再提示了，无论 fd 中是否还有数据可读。在ET模式下，read一个fd的时候一定要把数据读完。

（3）等待事件的产生
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生，类似于 select() 调用。
参数 events 用来从内核得到事件的集合
参数 maxevents 告之内核这个 events 有多大
参数 timeout 是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1一直阻塞直到有IO事件就绪）
该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

2. 三者之间的关联和区别

关联

select，poll，epoll 都是 I/O 多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，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。
select，poll，epoll 本质上都是同步 I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。而异步 I/O 则无需自己负责进行读写，异步 I/O 的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

区别

关于最大连接数先理清楚2个概念：
⑴ 一个进程能打开的最大文件描述符，使用 ulimit -n 或者 cat /proc/进程号/limits |grep "Max open file"
❶ 使用 ulimit -n xxx 修改（只针对当前session有效），
❷ 通过 setrlimit 系统调用修改（只对当前进程有效），
❸ 修改 /etc/security/limits.conf 在该文件中添加以下两行：

    *      soft    nofile     100000
    *      hard    nofile     100000

这个值是可以修改的，但是最大不要超过系统所能打开的最大数，超过了也没有什么意义。

⑵ 一个系统所能打开的最大数也是有限的，跟内存大小有关，可以通过cat /proc/sys/fs/file-max 查看。

• 注意：对于服务器程序来说并不是“理论”最大只能打开65535个 socket 连接。65535 只是linux系统的最大可用socket端口，比如在一台服务器（这里指主机而非服务程序）上“理论”上最多只能发起65535个客户端连接（实际要小于）这是对的，因为每发起一个连接都需要一个端口。服务器程序只需监听几个端口就够了，它的上限是系统所能打开的最大文件描述符的数量。不要搞混了这两个概念。

> 支持一个进程所能打开的最大连接数

• select 最大连接数有一定限制的，由 FD_SETSIZE 值决定的，默认值是2048。可以对进行修改，需要重新编译内核，但是性能可能会受到影响。
• poll 最大连接数上限是系统能最大可以打开文件的数目，一般来说这个数目受限于系统内存，1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max。
• epoll 与 poll 一样，最大连接数上限是系统能最大可以打开文件的数目。

> 连接数剧增后带来的 IO 效率问题

• select 每次调用都对所有的连接进行线性遍历，所以随着连接数的增加会造成遍历速度的线性下降的性能问题。
• poll 与 select 有相同的问题
• epoll 是事件驱动的，内核中的实现是根据每个连接 fd 上的 callback 函数来实现的，只有活跃的 socket 才会主动调用 callback，所以在活跃 socket 较少的情况下，使用 epoll 没有前面两者的线性下降的性能问题，但是所有 socket 都很活跃的情况下，可能也会有性能问题。

> 消息传递方式

• select 内核需要拷贝消息到用户空间。
• poll 内核需要拷贝消息到用户空间。
• epoll 通过内核和用户空间共享一块内存来实现，无需拷贝。

一般来说编写高并发服务器程序都会首先 epoll 因为这种环境下其性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select 和 poll 的性能可能比 epoll 好，毕竟 epoll 的通知机制需要很多函数回调。