深入解析select、poll、epoll：Linux网络编程的三种IO模型
文章目录
- IO模型的分类
- 多路复用型IO的分类
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- select
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- select系统调用
- 缺点
- poll
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- poll系统调用
- 缺点
- epoll
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- epoll系统调用
- epoll模型
- 优点
- LT模式与ET模式
IO模型的分类
大家都知道，一个完整的IO操作所花费的时间在计算机中是非常多的（速度非常慢），那么这些时间都花费在哪里呢？
IO = 等待数据就绪 + 数据拷贝
而等待数据就绪所花费的时间占了整个IO时间的99%，数据拷贝所花费的时间仅占1%。
IO模型分为同步IO和异步IO。
- 同步IO：用户发起IO，用户阻塞或轮训的查看数据是否就绪，用户进行内核态到用户态的数据拷贝。
- 异步IO：用户发起IO，数据是否就绪以及数据拷贝的过程全交给内核，当IO完成时内核通知用户。
同步IO分为阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动型IO、多路复用型IO。
- 阻塞IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程就一直阻塞等待着数据的就绪。
- 非阻塞IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程不会阻塞，而是继续向后执行代码，所以需要配合循环来一直检查数据是否就绪，而这也叫做轮询。
- 信号驱动型IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程不会阻塞，而是继续向后执行代码，由内核来检查数据是否就绪，当数据就绪时，内核通知用户。
- 多路复用型IO：由一个线程来监视（等待数据就绪）多个fd，当某个fd上的数据就绪时，就通知用户。
多路复用型IO和前三者的区别就是，多路复用型IO能同时监视多个fd，从而大大提高了效率。
本篇讲述多路复用型IO。
多路复用型IO的分类
select
select系统调用
函数原型：
#include 参数解析：
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nfds：需要监视的文件描述符的最大值+1（告诉操作系统要查找的文件描述符的范围）；
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readfds、writefds、exceptfds：分别都是一个位图，表示要监视的某些fd的读事件、写事件、异常事件。它们都是输入输出型参数，输入时，将需要监视的文件描述符和事件添加到位图中，输出时，就是已经就绪的文件描述符和事件。
-
timeout：
- 取值为NULL时，表示select阻塞式调用；
- 取值为0时，表示select非阻塞式调用；
- 取值>0时，表示在timeout时间内阻塞式调用。
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返回值：
- >0时，表示已就绪的文件描述符的数量；
- ==0时，表示timeout时间到期返回了；
- <0时，出错返回。
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fd_set：
typedef long int __fd_mask; typedef struct { __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]; } fd_set; -
struct timeval：
struct timeval { long tv_sec; /* seconds */ long tv_usec; /* microseconds */ }; struct timespec { long tv_sec; /* seconds */ long tv_nsec; /* nanoseconds */ };
还有一批系统调用用来控制fd_set类型的参数。
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 将fd从set中移除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否在set中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 将fd设置进set中
void FD_ZERO(fd_set *set);// 将set设置为0
缺点
- 由于中间三个参数是输入输出型参数，所以函数每次返回时，原来设置的内容就都已经被覆盖掉了，所以需要重新设置。这就导致编码难度上升；
- 每次调用select都会把fd_set从内核态拷贝到用户态，效率较低；
- 由于采用位图结构，所以底层选用轮询的方法来检测文件描述符是否就绪，效率较低；
- fd_set是一个固定的类型，那么单个线程能够监视的文件描述符的数量就是固定的（centos7.6上是1024个）。
poll
poll系统调用
函数原型：
#include
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
参数解析：
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fds：是一个指针（也可以说是一个数组），它里面存放着需要监视的fd以及事件（是一个输入输出型参数）；
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nfds：表示监视的fd的数量，也就是fds的长度；
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timeout与select一样；
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返回值与select一样；
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struct pollfd：
struct pollfd { int fd; /* file descriptor */ short events; /* requested events */ short revents; /* returned events */ };- fd：需要监视的文件描述符；
- events：该fd上需要监视的事件（输入型参数）；
- revents：该fd上已经就绪的事件（输出型参数）。
这两个事件也分别都是位图结构，通过宏来设置对应事件：
事件 描述 是否可作为输入 是否可作为输出 POLLIN 数据（包括普通数据和优先数据）可读 ✔ ✔ POLLRDNORM 普通数据可读 ✔ ✔ POLLRDBAND 优先级带数据可读（Linux不支持） ✔ ✔ POLLPRI 高优先级数据可读，比如TCP带外数据 ✔ ✔ POLLOUT 数据（包括普通数据和优先数据）可写 ✔ ✔ POLLWRNORM 普通数据可写 ✔ ✔ POLLWRBAND 优先级带数据可写 ✔ ✔ POLLRDHUP TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作，它由GNU引入 ✔ ✔ POLLERR 错误 ✘ ✔ POLLHUP 挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件 ✘ ✔ POLLNVAL 文件描述符没有打开 ✘ ✔
缺点
- 每次调用都会将fds从内核态拷贝到用户态（因为填写了revents）；
- 底层也是采用轮询的方式来检测文件描述符是否就绪，效率较低。
epoll
epoll系统调用
epoll有最基础的三个系统调用。
函数原型：
#include -
epoll_create用来创建一个epoll模型，返回创建好的epoll模型的句柄（是一个文件描述符）。参数size在旧版本中悲剧，在新版本（2.6.8及之后的版本）被用作一个提示，提示内核为epoll实例预留size个文件描述符，建议设置成大于0的数字。
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epoll_ctl用来控制（增删改）epoll模型中文件描述符及其事件
-
epfd：epoll模型的句柄；
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op：控制类型
op 效果 EPOLL_CTL_ADD 将文件描述符及其事件添加到epoll模型中 EPOLL_CTL_MOD 改变文件描述符对应的事件 EPOLL_CTL_DEL 将文件描述符及其事件从epoll模型中移除 -
struct epoll_event：
typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t; struct epoll_event { uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */ }; -
返回值：调用成功返回0，调用失败返回-1，同时errno被设置；
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epoll_wait：等待IO事件就绪
- epfd：同上；
- events：一个输出型参数，需要用户提前开辟好内存，当epoll_wait返回时，数组中就已经都是就绪的fd和事件了；
- maxevents：指定本次返回的events的最大数量，通常设置为evetns数组的大小（不能大于epoll_create的参数）；
- timeout：同上；
- 返回值：跟select、poll一样。
epoll模型
当调用epoll_create时，内核会创建一个eventpoll结构体。
struct eventpoll {
/*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
struct rb_root rbr;
/*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
struct list_head rdlist;
};
也就是创建一颗红黑树，而后每次通过epoll_ctl添加进来的fd和事件都会组织成一个结构体挂载到这颗红黑树上。
struct epitem{
struct rb_node rbn;//红黑树节点
struct list_head rdllink;//双向链表节点
struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息
struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象
struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}
epoll_ctl中的ADD就是往红黑树中添加结点、DEL就是删除红黑树中的结点、MOD就是修改红黑树中结点内部的event。
每个添加进来的事件都会与设备驱动建立回调关系，当事件触发时就会调用回调函数将其添加到就绪队列中
每个结点是可能同时在多个数据结构中的！
红黑树中就绪的结点同时会被组织成一个就绪队列，epoll_wait返回的就是该队列。
优点
- 跟poll一样，解决了select中fd有上限的问题；
- 解决了select、poll中的轮询遍历的问题；
- 减少了用户态向内核态的拷贝（每次调用select、poll都会拷贝，而epoll仅在合适的时候用epoll_ctl添加结点）
LT模式与ET模式
- LT（Level Triggered）水平触发模式：只要当fd上有数据时，每次调用epoll_wait都会返回该fd；
- ET（Edge Triggered）边缘触发模式：只有当fd上的数据发生变化时（从零到有，从少到多），调用epoll_wait才会返回该fd。
select、poll、epoll都是默认处于LT模式，而epoll可以选择ET模式。
假设有一种场景：第一次从fd上读数据，没有读全，需要读第二次，如果处于LT模式下，第二次调用epoll_wait是能够继续从该fd上读数据的，而如果处于ET模式下，第二次调用epoll_wait就不能够从该fd上继续读数据了。这时就会出现问题，所以需要程序员能够一次性读全数据，无论处于LT还是ET，程序员都能够选择一次性读全数据，但是处于ET模式下，程序员就必须要一次性读全数据。
一次性读全数据的优势：能够更快速的将数据从内核拷贝到用户，从而能够拥有更大的TCP窗口，提高底层的数据发送效率，提高吞吐量。