【Linux网络】select/poll 和 epoll的深入理解

1. 用户态和内核态

1.1 用户态和内核态的概念

内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。

1.2 用户态切换到内核态的三种方式

1. 系统调用
2. 异常
3. 外围设备的中断

2. 为什么不用多线程？

当客户端连接非常多的时候 多线程进行处理的话 需要CPU上下文切换，处理一些操作句柄。代价很高。

3. 如何用单线程的方式来处理客户端的大量连接呢？

3.1. DMA控制器

当线程处理A消息时，B上有消息过来，不会造成丢失。因为有DMA控制器。

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。否则，CPU 需要从来源把每一片段的资料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用

3.2. 文件描述符

每一个网络连接在内核中都是以文件描述符（FD）存在

3.3 单线程遍历文件描述符

在用户态中进行的，效率低。

3.4 select/poll

系统调用，select函数就是将文件描述符从用户态拷贝到内核态，交由内核来判断哪个FD有数据（把轮询的操作放在内核 中去进行）

select将rset（读文件描述符集合，读取网络上的数据）拷贝到内核中进行判断，fd中是否有数据。没有数据就会一直判断，处于阻塞状态。有数据会将FD对应的节点置位，select返回，不再阻塞。
然后再进行遍历，查看哪个FD被置位了。
然后就会读取被置位的fd的数据，并且进行相应的处理，也就是poll操作。

缺点：

1. FDset默认大小1024，bitmap，记录的socket的状态，是有限的。
2. FDset不可重用，每次都会进行遍历，重新创建bitmap。因为select把rset修改过了，我们在重新进行监听的时候，需要将rset进行复位。
3. 拷贝过程有较大的开销，用户态和内核态的切换。
4. rest被select置位后，需要再次遍历判断去接受数据，需要O（N）的复杂度。

rest： bitmap类型，默认1024bit，表述对哪个文件描述符进行启用/监听

3.5 poll

监听原理和select差不多，都要对rset进行拷贝。
解决了select ①②的缺点
区别 pollfds结构体 可以进行重用

pollfd结构体

fd： 读文件描述符
events：需要在意的事件是什么，pollin，pollout
revents：对event的回馈，默认是0

过程

poll函数进行阻塞。
若有数据，①pollfd.revents会进行置位1。②poll返回

3.6 epoll

多路复用函数
epfd： 可以理解为白板，存储的是读文件描述符和其对应的事件
epoll_ctl：在白板上进行写字，文件描述符fd，event事件，

有数据的话 ①置位，也就是进行重排，有数据的fd会放在最前面的位置上。②然后进行返回，返回的是触发事件的数量。
然后进程处理。

场景

epoll： redis，nginx，nio

参考

用户态和内核态的区别

【并发】IO多路复用select/poll/epoll介绍

DMA(直接存储器访问) - 百度百科

epoll原理详解及epoll反应堆模型