select和epoll的区别详解

1. 名词解释

1.1 文件描述符fd

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

1.2 阻塞和非阻塞的区别

阻塞I/O会一直阻塞住对应的进程直到操作完成；

非阻塞I/O在内核准备数据的情况下会立刻返回；

1.3 I/O多路复用

通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符（fd），而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。

2. select

2.1 原型

select(fd_set read[],fd_set [],fd_set [],timeout)

select仅仅知道了有I/O事件发生，却并不知道是哪几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。

2.2 本质

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。这样所带来的缺点是：

1）单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。

一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2）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与kqueue做的。

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

2.3 调用过程

1）从用户空间拷贝fd_set到内核空间，也即从当前程序拷贝fd_set数组进内核；

2）对所有的fd进行一次poll操作，即把当前进程挂载到fd上。

3）poll操作过程中select会唤醒所有的队列中节点，进行遍历，得到它们的掩码（不同的掩码表示不同的就绪状态）。

4）如果所有设备返回的掩码都没有显示任何的事件触发，就去掉回调函数的函数指针，进入有限时的睡眠状态，再恢复和不断做poll，再作有限时的睡眠，直到其中一个设备有事件触发为止。

5）只要有事件触发，系统调用返回，将fd_set从内核空间拷贝到用户空间，回到用户态，用户就可以对相关的fd作进一步的读或者写操作了。

2.4 时间复杂度

O(n)

2.5 select的缺点

1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

3. poll

3.1 原型

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

poll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。它是基于链表存储的，故没有最大连接数的限制。

3.2 实现

poll使用一个 pollfd的指针实现。

struct pollfd {
    int fd; /* file descriptor */
    short events; /* requested events to watch */
    short revents; /* returned events witnessed */
};

pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式。 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

3.3 时间复杂度

O(n)

3.4 poll与select的异同

1）不同点：pollfd并没有最大数量限制（数据量过大后也会造成性能下降），select支持的文件描述符最大为1024；

2）相同点：和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符；

未完待续。。。