三种IO多路复用模型-select、poll、epoll

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。

IO多路复用适用如下场合：

1.当客户处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

2.当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

3.如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

4.如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

5.如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

目前支持I/O多路复用的系统调用有 select，pselect，poll，epoll，I/O多路复用就是通过一种机制，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。但select，pselect，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。

其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现。

一、select

1.基本原理

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据 可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

2.基本流程

首先创建一个socket，可以接收多个客户端的连接，每个连接就是一个文件描述符。文件描述符集合fds[]中每一个元素其实是一个随机的数字，代表这个文件描述符的编号，max用来保存其中最大的一个数字。

select(max+1,&rset,NULL,NULL,NULL)

• 第一个参数max+1，表示从起始到最大文件描述符的下一个数字。
• rset是一个1024位的bitmap，它用来表示哪个文件描述符是被监听的。（例如文件描述符有1，3，4，7，那么在bitmap中表示就是01011001…0，如果这个位置被监听了就置为1）
• 第三个参数表示读文件描述符集合
• 第四个参数表示写文件描述符集合
• 第五个参数表示异常文件描述符集合

select执行步骤：

将rset拷贝一份到内核中，由内核判断哪个fd中有数据，如果一个或多个有数据就将其标记一下（修改bitmap）然后返回，用户进程通过遍历文件描述符集合得到数据。（由于bitmap会被修改，所以rset每次都会被重置）

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。

3.缺点

• select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE设置，默认值是1024。

可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

• 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。

当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll做的。

• 需要维护一个用来存放大量fd的数据结构（bitmap），会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

二、poll

1.基本原理

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制，原因是它使用了pollfd结构体。poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

具体来说，poll没有再使用bitmap记录文件描述符fd的状态，而是将文件描述符fd转为新的结构pollfd，用其中的revents标记是否有数据。这样每次只用将revents重置就好了，可以节省一些性能，但是每次遍历文件描述符得到数据的时间复杂度仍是O（n）。

2.缺点

• 大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。
• select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。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。

三、epoll

1.基本原理

epoll中维护了一个注册表（位于用户态和内核态的共享内存中），通过epoll_ctl将文件描述符fd注册到表中。epoll使用“事件”的就绪通知方式，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。

epoll会将准备好的fd排到前面（方便获取），并返回一个数值，数值的大小就是准备好的fd数量。

2.水平/边缘触发

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。

（1）LT模式

LT是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。在这种做法中，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的。

（2）ET模式

ET是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once)。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

3.优点

• 没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。
• 效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
• 通过共享内存，减少数据拷贝的开销。

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