I/O复用——select/poll/epoll区别

I/O复用

能使程序能同时监听多个文件描述。

1.select
在一段指定时间内，监听用户感兴趣文件描述符上的可读，可写和异常等事件。
函数原型：

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

nfds指定被监听的文件描述符总数，一般设置为select监听的所有文件描述符最大值加1；

select函数通过三个fd_set结构体变量readfds,writefds和execptfds,分别给内核传递用户关注的所有可读、可写、异常事件，
这使得select不能处理更多的事件类型，并且内核也通过这三个结构体变量返回就绪的文件描述符，所以每次使用之前，都必须重
新设置这三个结构体变量。fd_set结构体仅包含一个整型数组，数组的每个元素的每一位标记一个文件描述符。

timeout参数用来设置函数的超时时间。timeval结构体中long类型tv_sec成员（秒数）和tv_usec成员（微秒数），如果两者都
传递0，则select立即返回；如果传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。

select成功返回就绪文件描述符的总数。超时时间内没有任何文件描述符就绪，就返回0；失败返回-1并设置errno；接收到信号，
立即返回-1，并设置errno为EINTR。

2.poll系统调用
指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪者。

函数原型：

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

fds参数是个pollfd结构类型的数组，指定所有感兴趣的文件描述符上发生的可读，可写和异常等事件。（poll事件类型如下图）
nfds是指定被监听事件集合fds的大小。
timeout参数指定poll的超时值。当timeout为-1时，poll调用永远阻塞，直到某个事件发生；当为0时，poll调用立即返回。

3.epoll系统调用
epoll使用一组函数来完成任务；其次，epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中。但需要一个额外的文件描述符来标识内核中的事件表。

#include 
int  epoll_create(int  size);
int  epoll_ctl(int epollfd,int op,int fd,struct epoll_event* event);
int  epoll_wait(int epollfd, struct epoll_event *events, int  maxevents, int  timeout);  

3.1 内核事件表

int  epoll_create(int  size);

size参数是告诉内核事件表的大小。该函数返回的文件描述符作为epoll系统调用的第一个参数，用来指定要访问的内核事件表。

int  epoll_ctl(int epollfd,int op,int fd,struct epoll_event* event);

此函数用来操作内核事件表。fd为要操作的文件描述符，op参数则指定操作类型。成功返回0；失败则返回-1并设置errno.

op操作类型如下：

• EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件
• EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件

• EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件

  epoll_data_t是一个联合体，其中的fd是指定事件所从属的目标文件描述符。
  

3.2 epoll_wait函数：在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件。

如果监测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表（epfd指定）中复制到events指向的数组中。

int  epoll_wait(int epollfd, struct epoll_event *events, int  maxevents, int  timeout);  

该函数成功返回就绪的文件描述符个数；失败则返回-1并设置errno.
maxevents参数指定最多监听事件个数；
events用于输出epoll_wait检测到的就绪事件;
timeout参数指定poll的超时值。当timeout为-1时，poll调用永远阻塞，直到某个事件发生；当为0时，poll调用立即返回。

3.3 LT和ET模式

• LT（Level Trigger，电平触发）模式
• ET（Edge Trigger，边沿触发）模式

LT模式： 默认的工作模式，当epoll_wait检测到有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。
当下一次调用时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到事件被处理。

ET模式：当epoll_wait检测到有事件发生并将事件通知应用程序后，就立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再
向应用程序通知这一事件。

ET模式在很大程度上降低了同一epoll事件被重复触发的次数，效率较高。

3.4 EPOLLONESHOT事件

    对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多触发其上注册的可读，可写或异常事件，且只触发一次，除非使用
    epoll_ctl函数重置该文件描述符上注册的EPOLLONESHOT事件。注册了EPOLLONESHOT事件的socket一旦被某个线程处理完，
    该线程就立即重置socket上的EPOLLONESHOT事件，以确保这个socket下次可读时，EPOLLIN事件能被触发。

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三者比较

1、使用方面：

  select函数通过三个fd_set结构体变量分别给内核传递用户关注的所有可读、可写、异常事件，这使得select不能处理更多的事
  件类型，并且内核也通过这三个结构体变量返回就绪的文件描述符，所以每次使用之前，都必须重新设置这三个结构体变量。

   poll函数将用户关注的文件描述符以及其关注的事件、内核返回的文件描述符上发生的事件分离开表示，并且通过 一个用户数组
   将所有的文件描述符传递给内核。因此，poll函数能关注的事件类型更多，每次调用也不需要重新设置。

   epoll是通过一组函数来完成的，epoll通过epoll_create创建一个内核事件表，通过 epoll_ctl函数添加、删除、修改事件。
   epoll_wait只需要从内核事件表中读取用户的注册的事件。

2、使用限制：

select所使用的fd_set结构实际上是一个整形数组，32bit系统上关注的文件描述符最多1024个，最大文件描述符数1023.

poll和epoll分别用nfds和maxevents参数指定最多监听多少个文件描述符，这两个数值都能达到系统允许打开的最大文件描述符数65535.

3、使用效率：

1、select，poll每次调用都需要将用户空间的文件描述符拷贝到内核空间，epoll则只需要拷贝一次。效率更高。

 2、select、poll每次都将所有的文件描述符（就绪的和未就绪的）返回，所以应用程序检索就绪文件描述符的时间复杂度为O(n),
 epoll通过events参数返回所有就绪的文件描述符，应用程序检索就绪文件描述符的时间复杂度为O(1)。 

 3、select、poll只能工作在效率较低的LT模式，而epoll则能工作在ET高效模式，并且epoll还支持EPOLLONESHOT事件，从而进一
 步减少事件被触发的次数。 

5、内核效率：

select和poll采用轮询的方式：即每次都需要扫描整个注册的文件描述符集合，并将其中就绪的文件描述符返回给用户程序，因此，
内核中检测就绪文件描述符的算法时间复杂度为O(n)， 

epoll则采取回调的方式，内核检测到就绪文件描述符，就触发回调函数，将文件描述符及发生的事件插入内核就绪事件队列，因此，
epoll在内核中检测就绪文件描述符的算法时间复杂度为O(1)。 

但是，当链接的活动比较频繁是，select和poll的效率比epoll要高，因为epoll的回调函数调用过去频繁，所以，epoll适用于
链接较多，但是活动不频繁的情况。