【计算机网络】多路复用的三种方案

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Linux提供三种不同的多路转接（又称多路复用）的方案，分别是：select，poll和epoll。它们表现为不同的系统调用接口。

前置知识：“IO事件就绪”

即读事件就绪或写事件就绪

• 读事件就绪，指接收缓冲区中有数据可以读取
• 写事件就绪，指发送缓冲区中有空间可以写入

1. select

select是Linux中用于同时监视多个文件描述符是否就绪的系统调用接口，当程序运行到select调用处，默认会阻塞等待（也可以设为非阻塞）监视的文件描述符至少有一个IO事件就绪为止。

select函数

#include 

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

参数介绍：

• nfds：需要监视的文件描述符最大值+1；
• readfds/writefds/exceptfds：分别是监视的读文件描述符集合，写文件描述符集合，异常文件描述符集合。这三个fd_set*类型的参数是输入输出型函数，如：你需要关心某个fd的读事件，就将其设置到readfds中并调用select，select返回时，若该fd的读事件就绪，则readfds存在该fds，否则不存在。writefds和exceptfds同理。总而言之，这三个参数既让用户告知内核"我"要关心哪个文件fd，又让内核向用户通知哪些文件fd的哪些事件已就绪。
• timeout：select等待超时时间，设为nullptr则为阻塞等待。

返回值：

• 成功，则返回三个fd_set中事件就绪的fd的个数，若为0，表示超时timeout了也没有fd的事件就绪

• 失败，返回-1，错误码被设置，此时参数readfds， writefds，exceptfds和timeout的值失效

fd_set结构：

fd_set底层是一个long int的数组，上层视作一个位图结构，每个比特位，下标代表文件fd，内容表示fd是否有效。若调用select时，参数readfds的位图结构为...00001000 （前面全0省略），则表示用户需要监视3号文件描述符的读事件，select返回时，若readfds依然为...00001000，表示3号文件描述符读事件就绪，否则未就绪。

提供了一组操作fd_set的接口，来比较方便的操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  // 将fd从set中去除
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否存在于set中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);  // 将fd设置入set中
void FD_ZERO(fd_set *set);		   // 清空set

select的工作特性

1. select在内核中会去遍历三个fd_set，对于每个fd，若用户关心，则检测该fd的对应事件是否就绪，就绪则比特位置1，反之置0，若用户不关心，则跳过。参数nfds是底层遍历的终点。这种遍历在阻塞情况下会持续进行，直到检测到有一个或多个fd的IO事件就绪为止。

2. select能够监视的文件fd是有限的，这受限于fd_set的大小，fd个数 = sizeof(fd_set) * 8。不同环境下的fd_set大小不同，在我的本地测试sizeof(fd_set) = 128，那么能够监视的fd个数即为1024。

3. 将关心的fd加入select的监控集合后，还需要在上层维护一个数组array来保存这些关心的fd。原因如下：

   • 一，select的三个fd_set都是输入输出型参数，那么select前设置的fd，在select后可能就不存在了（因为该fd的事件未就绪），因此每次select之前都需要重置fd_set，重置就需要有一个数组array始终保存着用户关心的fd。

   • 二，select返回后，用户需要手动遍历fd_set，判断哪些fd已就绪（FD_ISSET），而上层保存fd的数组array就是判断的根据。

select的缺点

1. 每次select之前都要手动重置fd_set，太麻烦了
2. 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
3. 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
4. select支持的文件描述符数量太小

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2. poll

poll的作用和工作特性与select基本相同，但使用方法不同。

poll函数

#include 

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

poll以结构体struct pollfd的形式规定了监视的fd，其中包含更多信息。

fd：监视的fd

events：这是用户设置的，用于用户告知内核本fd要监视什么事件，是输入型参数

revents：这是poll函数返回的，用于内核通知用户本fd的哪些事件已就绪，是输出型参数

events/revents的事件类型：

POLLIN：读事件

POLLOUT：写事件

POLLERR：错误异常

POLLHUP：挂起异常，可能是对端关闭了连接

以上事件类型都是中定义的宏，events/revents可以同时承载多个事件，只需多个事件类型进行与操作即可。

poll的参数介绍

• fds：struct pollfd类型的指针，指向一段连续存放多个pollfd的空间。fds由用户自己维护。
• nfds：fds指向空间的大小
• timeout：超时时间，单位是毫秒ms

一些小细节：

1. 在pollfd中，若fd为负数，则events无效，调用poll后，revents被设为0
2. 在pollfd中，若events为0，表示不关心该fd上的任何时间，那么调用poll后，revents也将被设为0。
3. poll只会监视fd用户关心的事件，并通过revents返回

poll的返回值：

• 成功，返回有事件就绪的fd的个数，即revents不为0的pollfd的个数。若为0，表示超时timeout了也没有fd的事件就绪。
• 失败，返回-1，错误码被设置。

poll与select的对比

1. poll相比于select的优势有两点：
   • 输入与输出分离，不用在每次调用poll前手动设置关心的fd
   • 能够关心的fd个数不受限制，fds指向的空间用户可以扩容，参数nfds也可以修改
2. 与select一样存在频繁遍历的劣势。监视的fd一多，每次调用poll，要将大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中，内核要遍历传递进来的所有pollfd结构，检查有哪些事件就绪。每次poll返回，都需要遍历上层维护的pollfd结构，根据revents判断哪些fd的什么事件就绪了。
3. 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，遍历速度降低，其效率也会线性下降。

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3. epoll

epoll是目前公认的效率最高，性能最佳的多路复用组件。

epoll的三个接口

1. epoll_create

   功能：创建一个epoll模型的句柄，返回该句柄的文件描述符

   函数原型：

   #include 
   
   int epoll_create(int size);
   

   注意事项：

   • 自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的，随便给一个就行
   • 使用结束，必须调用close()关闭epoll句柄

2. epoll_ctl

   功能：对epoll模型进行增、删、改的操作（本质是对红黑树的操作）

   函数原型：

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

   参数：

   epfd：epoll句柄的文件描述符，由epoll_create获得；

   fd：目标文件描述符；

   op：操作类型，有如下三种：

   • EPOLL_CTL_ADD：将新的fd注册到epoll模型中，表示关心fd的事件发生
   • EPOLL_CTL_MOD：修改fd的关心事件
   • EPOLL_CTL_DEL：将fd从epoll模型中移除，表示不再关心fd的事件发生

   event：struct epoll_event结构体类型如下

              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 */
              };
   

   events：表示fd关心的事件。events可以是以下几个宏的集合：

   宏名称	意义	用户设置	内核返回
   EPOLLIN	表示对应的文件描述符可以读 (包括对端SOCKET正常关闭)	✅	✅
   EPOLLOUT	表示对应的文件描述符可以写	✅	✅
   EPOLLERR	表示对应的文件描述符发生错误	❎	✅
   EPOLLHUP	表示对应的文件描述符被挂断	❎	✅
   EPOLLET	将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式	✅	❎

   data：epoll_data类型的联合体，包含文件描述符的信息，可选择四种不同类型表示，一般选用int fd

   返回值：成功返回0，错误返回-1，错误码被设置。

3. epoll_wait

   功能：等待epoll模型上的就绪事件

   函数原型：

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

   参数：

   epfd：epoll句柄的文件描述符，由epoll_create获得；

   events：指向一组连续存放的epoll_event结构体，epoll_wait会从内核拷贝已就绪的事件到events指向的空间中；

   maxevents：events最多存epoll_event数量，maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size；

   timeout：超时时间，单位是毫秒ms。-1表示阻塞等待。

   epol_wait的返回值：

   • 成功，返回有事件就绪的fd的个数，即events的单元个数。若为0，表示超时timeout了也没有fd的事件就绪。
   • 失败，返回-1，错误码被设置。

epoll的工作原理

epoll的内核实现，采用所谓的"epoll模型"，是由一个红黑树(rbtree)和一个就绪队列(rdlist)组成，用于高效的监控文件描述符的状态变化。在内核中搭建epoll模型（创建rbtree和rdlist），并创建一个eventpoll句柄，用户持有eventpoll句柄的文件描述符，eventpoll句柄存有rbtree的根节点指针和rdlist的头结点指针，能找到内核中的epoll模型。eventpoll句柄成为用户与内核epoll沟通的桥梁。

epoll的工作机制，由以下三部分构成：

1. 红黑树rbtree

   根据先描述再组织的管理思想，epoll对于每一个关心的文件描述符，先将其描述为epitem结构体，再挂载到红黑树rbtree当中，并在rbtree中完成各种操作。如：epoll_ctl的EPOLL_CTL_ADD操作，就是先将新的文件描述符描述为一个epitem结构体，再插入到内核epoll的红黑树中。同理，EPOLL_CTL_MOD和EPOLL_CTL_DEL就是对红黑树的改和删的工作。

   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;  //文件描述符的句柄信息
   	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
   }
   

   struct epoll_event是epitem的key值，也是用户告知内核关心事件，内核通知用户就绪事件的结构体。

2. 就绪队列rdlist

   rdlist就绪队列，其实是一个双向链表结构，用于存放rbtree中已就绪的事件节点。epoll会将rbtree中事件就绪的epitem节点，推送到rdlist中，用户调用epoll_wait实际上就是将rdlist中的就绪事件拷贝到参数events中，时间复杂度为O(1)。值得注意的是，rdlist中的节点并不是rbtree中的副本，“节点从rbtree推送到rdlist”这个动作实际上只是修改节点的连接关系（epitem中的struct list_head rdllink），而不是拷贝一份到rdlist中。

   

   关于rdlist的增与删

   rdlist的增由回调机制决定，当某个fd的IO事件就绪，执行回调函数将fd对应的epitem节点连接到rdlist中。对于LT模式，只要fd的IO事件依然就绪，就继续保留fd对应的epitem节点在rdlist中；对于ET模式，epoll_wait读取一次，就将节点从rdlist中移除。

3. 回调机制ep_poll_callback

   “节点从rbtree推送到rdlist”是怎么做到的？首先，在调用epoll_ctl注册新的文件描述符时，会为这个文件描述符对应的epitem在底层的注册一个回调函数，这个回调的功能是将节点连接到rdlist中（回调函数注册到fd的文件句柄中）。此后，当底层IO事件就绪（协议栈决定）， 检测到对应文件句柄的回调函数存在，就会调用这个回调函数，将epitem节点连接到rdlist中。

epoll的优点

1. 内核采用红黑树结构管理关心的文件描述符，上层不需要再像select/poll那样自行维护关心的文件描述符，也不需要再手动设置每次要关心的文件描述符。
2. 红黑树结构的增删查改效率很高(时间复杂度是O(lgN))，不会因为关心fd的增多，导致新文件描述符的添加、关心事件的修改、文件描述符的移除等操作的效率降低。
3. 不需要再像select/poll那样轮询检测哪些fd的事件就绪，而是采用回调机制将活跃节点连接到rdlist中，用户仅需通过就绪队列rdlist获取就绪事件，这样一来避免了频繁的遍历，即使文件描述符很多，也没有影响。

总而言之，epoll只关注活跃的fd，不会像select/poll一样总是全局扫描所有的fd，这大大提高了它的效率。

LT和ET模式

epoll有两种工作模式，水平触发(LT, Level Triggered)和边缘触发(ET, Edge Triggered)

• LT模式：只要fd的IO事件一直就绪，就一直通知用户。在epoll底层表现为，一个epitem节点通过回调被连接到rdlist就绪队列中，只要该epitem对应的fd上IO事件还就绪着（比如对于读事件，socket接收缓冲区还有数据），就不会将其从rdlist中移除，因此用户每次调用epoll_wait都能获知该fd上的IO事件就绪。这是epoll的默认工作模式。

• ET模式：只在fd的事件状态变化时通知用户一次。在epoll底层表现为，一个epitem节点通过回调被连接到rdlist就绪队列中，说明该epitem对应的fd上IO事件就绪，这里以读事件为例，用户调用epoll_wait后，获知该fd上的读事件就绪，用户可能把缓冲区中所有数据读完，也可能只读了一部分，epoll不管缓冲区中还有没有数据，即无论fd上的读事件是否依然就绪，fd对应的epitem直接从rdlist中移除，用户下次调用epoll_wait就读不到了。只有在下次新数据包到来时，ET才会再通知上层一次，这就是在“事件状态变化”时通知用户，即边缘触发。

LT与ET的区别

从效率层面：

• 从效率角度来说，ET的效率高于LT。反复通知代表上层要多次调用epoll_wait来获取就绪事件信息，而一次通知只需要一次系统调用，系统调用从用户态到内核态开销较大，ET模式有效地减少了系统调用的次数。

ET与LT的区别更显著地体现在对上层的影响：

• LT会反复通知事件就绪，这样一来，用户可能不会立刻处理事件，而是在需要的时候再处理。

• ET只会在fd事件状态变化时通知用户一次，这样一来，就倒逼用户必须立刻处理完就绪事件，否则可能会错过事件。例如，fd读事件就绪，接收缓冲区上有2KB的数据，如果是ET模式通知用户，用户收到后就必须尽快将fd接收缓冲区上的所有数据读完，如果这次通知只读了1KB数据，且往后该fd没有新数据到来了，那么剩下的1KB数据就会丢失，因为ET模式不会再通知一次！

• ET倒逼用户尽快取走数据，本质也是提高效率：使得底层的TCP接收窗口更大，从而在较大概率上使得对端的滑动窗口更大，提高通信效率。

如何设置ET模式？

设置fd的event为EPOLLET即可，这会让epoll对于该fd以ET模式工作。

如何保证一次处理完就绪事件？

以读事件为例，一次处理完读事件，就是一次性将接收缓冲区上的数据全部读完。调用read/recv接口循环读取fd上的数据，默认情况下，如果数据读完了，read/recv会阻塞等待，这样虽然能读完数据，但是上层无法获知。因此，必须使用非阻塞的方式读取数据！以非阻塞方式循环读取数据，当数据读完时，非阻塞read/recv不会挂起等待，而是以错误的形式返回，错误码为 EAGAIN or EWOULDBLOCK，这样一来，用户就可以通过对错误码的判断，获知数据是否读完了。对于写事件也是一样的，以非阻塞方式write/send，若发送缓冲区被写满了，表示写事件未就绪，错误码也会被设为EAGAIN or EWOULDBLOCK。

综上所述：使用 ET 模式的 epoll，需要将文件描述设置为非阻塞。 这个不是接口上的要求，而是"工程实践"上的要求，因为ET模式的机制总是要求程序员一次就绪响应就将事件处理完毕。

其它的理解细节：

事实上，LT也可以通过非阻塞的方式，通知一次就将所有数据取完，但由于LT是反复通知上层，就算不将数据一次读完，上层也不会错过就绪事件，只有ET的机制才倒逼用户必须立刻处理完就绪事件

epoll的应用场景

并不是说使用epoll就一定是最高效的多路复用，还是要具体问题具体分析。epoll主要用于处理大规模、多并发、多连接的场景，特别是在高性能的网络服务器应用中。epoll在 Linux 上提供了一种高效的 I/O 多路复用机制，相较于select和poll具有更好的性能和扩展性。而对于一些较小规模、连接较少的服务器，epoll带来的内存开销可能会比较大。因此，要根据具体问题和环境，选用具体的多路复用IO模型。

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