【Linux kernel】epoll内核机制(1)select/poll/epoll对比分析

select/poll/epoll都是IO多路复用机制，可以同时监控多个描述符，当某个描述符就绪(读或写就绪)，则立刻通知相应程序进行读或写操作。本质上select/poll/epoll都是同步I/O，即读写是阻塞的。

一、select

原型：

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

• maxfd：代表要监控的最大文件描述符fd+1
• writefds：监控可写fd
• readfds：监控可读fd
• exceptfds：监控异常fd
• timeout：超时时长
  NULL，代表没有设置超时，则会一直阻塞直到文件描述符上的事件触发
  0，代表不等待，立即返回，用于检测文件描述符状态
  正整数，代表当指定时间没有事件触发，则超时返回

select函数监控3类文件描述符，调用select函数后会阻塞，直到描述符fd准备就绪（有数据可读、可写、异常）或者超时，函数便返回。 当select函数返回后，可通过遍历描述符集合，找到就绪的描述符。

select缺点

• 文件描述符个数受限：单进程能够监控的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义增大上限，但同样存在效率低的弱势;
• 性能衰减严重：IO随着监控的描述符数量增长，其性能会线性下降;

二、poll

原型：

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

其中pollfd表示监视的描述符集合，如下

struct pollfd {
    int fd; //文件描述符
    short events; //监视的请求事件
    short revents; //已发生的事件
};

pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，并且pollfd并没有最大数量限制。 和select函数一样，当poll函数返回后，可以通过遍历描述符集合，找到就绪的描述符。

poll缺点

从上面看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。同时连接的大量客户端在同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，其性能会线性下降。

三、epoll

epoll是在内核2.6中提出的，是select和poll的增强版。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符数量限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户空间的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。epoll机制是Linux最高效的I/O复用机制，在一处等待多个文件句柄的I/O事件。
select/poll都只有一个方法，epoll操作过程有3个方法，分别是epoll_create()， epoll_ctl()，epoll_wait()。

3.1 epoll_create

int epoll_create(int size)；

功能：用于创建一个epoll的句柄，size是指监听的描述符个数， 现在内核支持动态扩展，该值的意义仅仅是初次分配的fd个数，后面空间不够时会动态扩容。 当创建完epoll句柄后，占用一个fd值.epoll_create1

ls /proc/<pid>/fd/  //可通过终端执行，看到该fd

使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽

3.2 epoll_ctl

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

功能：用于对需要监听的文件描述符(fd)执行op操作，比如将fd加入到epoll句柄。

• epfd：是epoll_create()的返回值；

• op：表示op操作，用三个宏来表示，分别代表添加、删除和修改对fd的监听事件；
  EPOLL_CTL_ADD(添加)
  EPOLL_CTL_DEL(删除)
  EPOLL_CTL_MOD（修改）

• fd：需要监听的文件描述符；

• epoll_event：需要监听的事件，struct epoll_event结构如下：

  struct epoll_event {
    __uint32_t events;  /* Epoll事件 */
    epoll_data_t data;  /*用户可用数据*/
  };

events可取值：(表示对应的文件描述符的操作)

• EPOLLIN ：可读（包括对端SOCKET正常关闭）
• EPOLLOUT：可写；
• EPOLLERR：错误；
• EPOLLHUP：中断；
• EPOLLPRI：高优先级的可读（这里应该表示有带外数据到来）；
• EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发模式，这是相对于水平触发来说的。
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后就不再监听该事件

3.3 epoll_wait

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

功能：等待事件的上报

• epfd：是epoll_create()的返回值，等待epfd上的io事件，最多返回maxevents个事件；
• events：用来从内核得到事件的集合；
• maxevents：events数量，该maxevents值不能大于创建epoll_create()时的size；
• timeout：超时时间（毫秒，0会立即返回）。

该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

四、对比

在 select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait() 时便得到通知。(此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。)

epoll优势

1. 监视的描述符数量不受限制，所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max查看，一般来说这个数目和系统内存关系很大，以3G的手机来说这个值为20-30万。
2. IO性能不会随着监视fd的数量增长而下降。epoll不同于select和poll轮询的方式，而是通过每个fd定义的回调函数来实现的，只有就绪的fd才会执行回调函数。

如果没有大量的空闲或者死亡连接，epoll的效率并不会比select/poll高很多。但当遇到大量的空闲连接的场景下，epoll的效率大大高于select/poll。

参考链接
select/poll/epoll对比分析