Linux I/O多路复用之select，poll与epoll区别

1 select


select()系统调用提供一个机制来实现同步多元I/O：


#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


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


FD_CLR(int fd, fd_set *set);
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
FD_SET(int fd, fd_set *set);
FD_ZERO(fd_set *set);


调用select()将阻塞，直到指定的文件描述符准备好执行I/O，或者可选参数timeout指定的时间已经过去。
监视的文件描述符分为三类set，每一种对应等待不同的事件。readfds中列出的文件描述符被监视是否有数据可供读取（如果读取操作完成则不会阻塞）。writefds中列出的文件描述符则被监视是否写入操作完成而不阻塞。最后，exceptfds中列出的文件描述符则被监视是否发生异常，或者无法控制的数据是否可用（这些状态仅仅应用于套接字）。这三类set可以是NULL，这种情况下select()不监视这一类事件。
select()成功返回时，每组set都被修改以使它只包含准备好I/O的文件描述符。例如，假设有两个文件描述符，值分别是7和9，被放在 readfds中。当select()返回时，如果7仍然在set中，则这个文件描述符已经准备好被读取而不会阻塞。如果9已经不在set中，则读取它将可能会阻塞（我说可能是因为数据可能正好在select返回后就可用，这种情况下，下一次调用select()将返回文件描述符准备好读取）。
第一个参数n，等于所有set中最大的那个文件描述符的值加1。因此，select()的调用者负责检查哪个文件描述符拥有最大值，并且把这个值加1再传递给第一个参数。
timeout参数是一个指向timeval结构体的指针，timeval定义如下：
#include <sys/time.h>
struct timeval {
long tv_sec;
long tv_usec;
};


如果这个参数不是NULL，则即使没有文件描述符准备好I/O，select()也会在经过tv_sec秒和tv_usec微秒后返回。当 select()返回时，timeout参数的状态在不同的系统中是未定义的，因此每次调用select()之前必须重新初始化timeout和文件描述符set。实际上，当前版本的Linux会自动修改timeout参数，设置它的值为剩余时间。因此，如果timeout被设置为5秒，然后在文件描述符准备好之前经过了3秒，则这一次调用select()返回时tv_sec将变为2。
如果timeout中的两个值都设置为0，则调用select()将立即返回，报告调用时所有未决的事件，但不等待任何随后的事件。
文件描述符set不会直接操作，一般使用几个助手宏来管理。这允许Unix系统以自己喜欢的方式来实现文件描述符set。但大多数系统都简单地实现set为位数组。FD_ZERO移除指定set中的所有文件描述符。每一次调用select()之前都应该先调用它。
fd_set writefds;
FD_ZERO(&writefds);


FD_SET添加一个文件描述符到指定的set中，FD_CLR则从指定的set中移除一个文件描述符：
FD_SET(fd, &writefds);
FD_CLR(fd, &writefds);


设计良好的代码应该永远不使用FD_CLR，而且实际情况中它也确实很少被使用。
FD_ISSET测试一个文件描述符是否指定set的一部分。如果文件描述符在set中则返回一个非0整数，不在则返回0。FD_ISSET在调用select()返回之后使用，测试指定的文件描述符是否准备好相关动作：
if (FD_ISSET(fd, &readfds))



因为文件描述符set是静态创建的，它们对文件描述符的最大数目强加了一个限制，能够放进set中的最大文件描述符的值由FD_SETSIZE指定。在Linux中，这个值是1024。


select()成功时返回准备好I/O的文件描述符数目，包括所有三个set。如果提供了timeout，返回值可能是0；错误时返回-1，并且设置errno为下面几个值之一：
EBADF
给某个set提供了无效文件描述符。
EINTR
等待时捕获到信号，可以重新发起调用。
EINVAL
参数n为负数，或者指定的timeout非法。
ENOMEM
不够可用内存来完成请求。
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2 poll


poll()系统调用是System V的多元I/O解决方案。它解决了select()的几个不足，尽管select()仍然经常使用（多数还是出于习惯，或者打着可移植的名义）：


#include <sys/poll.h>
int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);


和select()不一样，poll()没有使用低效的三个基于位的文件描述符set，而是采用了一个单独的结构体pollfd数组，由fds指针指向这个组。pollfd结构体定义如下：


#include <sys/poll.h>


struct pollfd {
int fd;
short events;
short revents;
};


每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，指示poll()监视多个文件描述符。每个结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents域是文件描述符的操作结果事件掩码。内核在调用返回时设置这个域。events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。合法的事件如下：
POLLIN
有数据可读。
POLLRDNORM
有普通数据可读。
POLLRDBAND
有优先数据可读。
POLLPRI
有紧迫数据可读。
POLLOUT
写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM
写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND
写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSG
SIGPOLL消息可用。


此外，revents域中还可能返回下列事件：
POLLER
指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP
指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL
指定的文件描述符非法。


这些事件在events域中无意义，因为它们在合适的时候总是会从revents中返回。使用poll()和select()不一样，你不需要显式地请求异常情况报告。
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，POLLOUT | POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM | POLLRDBAND，而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。
例如，要同时监视一个文件描述符是否可读和可写，我们可以设置events为POLLIN | POLLOUT。在poll返回时，我们可以检查revents中的标志，对应于文件描述符请求的events结构体。如果POLLIN事件被设置，则文件描述符可以被读取而不阻塞。如果POLLOUT被设置，则文件描述符可以写入而不导致阻塞。这些标志并不是互斥的：它们可能被同时设置，表示这个文件描述符的读取和写入操作都会正常返回而不阻塞。
timeout参数指定等待的毫秒数，无论I/O是否准备好，poll都会返回。timeout指定为负数值表示无限超时；timeout为0指示 poll调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。这种情况下，poll()就像它的名字那样，一旦选举出来，立即返回。
返回值和错误代码
成功时，poll()返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0；失败时，poll()返回-1，并设置errno为下列值之一：
EBADF
一个或多个结构体中指定的文件描述符无效。
EFAULT
fds指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR
请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL
nfds参数超出PLIMIT_NOFILE值。
ENOMEM
可用内存不足，无法完成请求。


以上内容来自《OReilly.Linux.System.Programming - Talking.Directly.to.the.Kernel.and.C.Library.2007》


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3 epoll  


epoll是什么？2.6内核中提高I/O性能的新方法。按照man手册的说法：是为处理大批量句柄而作了改进的poll。


要使用epoll只需要这三个系统调用：epoll_create(2)， epoll_ctl(2)， epoll_wait(2)。唯一有点麻烦是epoll有2种工作方式:LT和ET。


LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表．


ET (edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once),不过在TCP协议中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark确认。




（1）功能介绍


    epoll与select/poll不同的一点是，它是由一组系统调用组成。


int epoll_create(int size);  
  
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);  
  
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);  


    epoll相关系统调用是在Linux 2.5.44开始引入的。该系统调用针对传统的select/poll系统调用的不足，设计上作了很大的改动。select/poll的缺点在于：
1.每次调用时要重复地从用户态读入参数。
2.每次调用时要重复地扫描文件描述符。
3.每次在调用开始时，要把当前进程放入各个文件描述符的等待队列。在调用结束后，又把进程从各个等待队列中删除。
在实际应用中，select/poll监视的文件描述符可能会非常多，如果每次只是返回一小部分，那么，这种情况下select/poll显得不够高效。 epoll的设计思路，是把select/poll单个的操作拆分为1个epoll_create+多个epoll_ctl+一个epoll_wait。此外，内核针对epoll操作添加了一个文件系统”eventpollfs”，每一个或者多个要监视的文件描述符都有一个对应的eventpollfs文件系统的inode节点，主要信息保存在eventpoll结构体中。而被监视的文件的重要信息则保存在epitem结构体中。所以他们是一对多的关系。由于在执行epoll_create和epoll_ctrl时，已经把用户态的信息保存到内核态了，所以之后即使反复地调用epoll_wait，也不会重复地拷贝参数，扫描文件描述符，反复地把当前进程放入/放出等待队列。这样就避免了以上的三个缺点。接下去看看它们的实现：
 
 
struct ep_pqueue {  
        poll_table pt;  
        struct epitem *epi;  
};  


   
（2） 关键结构体


这个结构体类似于select/poll中的struct poll_wqueues。由于epoll需要在内核态保存大量信息，所以光光一个回调函数指针已经不能满足要求，所以在这里引入了一个新的结构体struct epitem。
 
 
struct epitem   
{  
    struct rb_node rbn; // 红黑树，用来保存eventpoll  
  
    struct list_head rdllink; // 双向链表，用来保存已经完成的eventpoll  
          
    struct epoll_filefd ffd; // 这个结构体对应的被监听的文件描述符信息  
          
    int nwait; // poll操作中事件的个数  
  
    // 双向链表，保存着被监视文件的等待队列，功能类似于select/poll中的poll_table  
    struct list_head pwqlist;   
  
    struct eventpoll *ep; // 指向eventpoll，多个epitem对应一个eventpoll  
  
    struct epoll_event event; // 记录发生的事件和对应的fd  
  
    atomic_t usecnt; // 引用计数  
  
    // 双向链表，用来链接被监视的文件描述符对应的struct file。因为file里有f_ep_link，  
    // 用来保存所有监视这个文件的epoll节点  
    struct list_head fllink;   
          
    struct list_head txlink; // 双向链表，用来保存传输队列  
  
    unsigned int revents; // 文件描述符的状态，在收集和传输时用来锁住空的事件集合  
};  
   
    该结构体用来保存与epoll节点关联的多个文件描述符，保存的方式是使用红黑树实现的hash表。至于为什么要保存，下文有详细解释。它与被监听的文件描述符一一对应。
view plain
struct eventpoll   
{  
    rwlock_t lock; // 读写锁  
          
    struct rw_semaphore sem; // 读写信号量  
      
    wait_queue_head_t wq; // Wait queue used by sys_epoll_wait()  
  
    wait_queue_head_t poll_wait; // Wait queue used by file->poll()  
  
    struct list_head rdllist; // 已经完成的操作事件的队列。  
      
    struct rb_root rbr; // 保存epoll监视的文件描述符  
      
};  


    这个结构体保存了epoll文件描述符的扩展信息，它被保存在file结构体的private_data中。它与epoll文件节点一一对应。通常一个epoll文件节点对应多个被监视的文件描述符。所以一个eventpoll结构体会对应多个epitem结构体。那么，epoll中的等待事件放在哪里呢？见下面


// Wait structure used by the poll hooks  
struct eppoll_entry {  
  
    struct list_head llink; // List header used to link this structure to the "struct epitem"   
  
    void *base; // The "base" pointer is set to the container "struct epitem"  
  
    wait_queue_t wait; // Wait queue item that will be linked to the target file wait queue head.  
  
    wait_queue_head_t *whead; // The wait queue head that linked the "wait" wait queue item  
};  


    与select/poll的struct poll_table_entry相比，epoll的表示等待队列节点的结构体只是稍有不同，与struct poll_table_entry比较一下。


struct poll_table_entry {  
        struct file * filp;  
        wait_queue_t wait;  
        wait_queue_head_t * wait_address;  
};  


由于epitem对应一个被监视的文件，所以通过base可以方便地得到被监视的文件信息。又因为一个文件可能有多个事件发生，所以用llink链接这些事件。


（3）epoll_create的实现


    epoll_create()的功能是创建一个eventpollfs文件系统的inode节点。具体由ep_getfd()完成。 ep_getfd()先调用ep_eventpoll_inode()创建一个inode节点，然后调用d_alloc()为inode分配一个 dentry。最后把file,dentry,inode三者关联起来。在执行了ep_getfd()之后，它又调用了ep_file_init(),分配了eventpoll结构体，并把eventpoll的指针赋给file结构体，这样eventpoll就与file结构体关联起来了。
需要注意的是epoll_create()的参数size实际上只是起参考作用，只要它不小于等于0，就并不限制这个epoll inode关联的文件描述符数量。


（4）epoll_ctl的实现


epoll_ctl的功能是实现一系列操作，如把文件与eventpollfs文件系统的inode节点关联起来。这里要介绍一下eventpoll结构体，它保存在file->f_private中，记录了eventpollfs文件系统的inode节点的重要信息，其中成员rbr保存了该 epoll文件节点监视的所有文件描述符。组织的方式是一棵红黑树，这种结构体在查找节点时非常高效。首先它调用ep_find()从eventpoll 中的红黑树获得epitem结构体。然后根据op参数的不同而选择不同的操作。如果op为EPOLL_CTL_ADD，那么正常情况下epitem是不可能在eventpoll的红黑树中找到的，所以调用ep_insert创建一个epitem结构体并插入到对应的红黑树中。 ep_insert()首先分配一个epitem对象，对它初始化后，把它放入对应的红黑树。此外，这个函数还要作一个操作，就是把当前进程放入对应文件操作的等待队列。这一步是由下面的代码完成的。
init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
    。。。
revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);
函数先调用init_poll_funcptr注册了一个回调函数 ep_ptable_queue_proc，这个函数会在调用f_op->poll时被执行。该函数分配一个epoll等待队列结点 eppoll_entry：一方面把它挂到文件操作的等待队列中，另一方面把它挂到epitem的队列中。此外，它还注册了一个等待队列的回调函数 ep_poll_callback。当文件操作完成，唤醒当前进程之前，会调用ep_poll_callback()，把eventpoll放到 epitem的完成队列中，并唤醒等待进程。    如果在执行f_op->poll以后，发现被监视的文件操作已经完成了，那么把它放在完成队列中了，并立即把等待操作的那些进程唤醒。


（5）epoll_wait的实现


epoll_wait的工作是等待文件操作完成并返回。
它的主体是ep_poll()，该函数在for循环中检查epitem中有没有已经完成的事件，有的话就把结果返回。没有的话调用schedule_timeout()进入休眠，直到进程被再度唤醒或者超时。


（6）性能分析


epoll机制是针对select/poll的缺陷设计的。通过新引入的eventpollfs文件系统，epoll把参数拷贝到内核态，在每次轮询时不会重复拷贝。通过把操作拆分为epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait，避免了重复地遍历要监视的文件描述符。此外，由于调用epoll的进程被唤醒后，只要直接从epitem的完成队列中找出完成的事件，找出完成事件的复杂度由O(N)降到了O(1)。但是epoll的性能提高是有前提的，那就是监视的文件描述符非常多，而且每次完成操作的文件非常少。所以，epoll能否显著提高效率，取决于实际的应用场景。这方面需要进一步测试。




（7）epoll的例子


以下代码由chinaunix.net上BBS用户safedead(http://bbs.chinaunix.net/viewpro.php?uid=407631)提供：


static int s_epfd;//epoll描述字


{
//初始化epoll
     struct epoll_event        ev;


        //设置epoll
        s_epfd = epoll_create(65535);


        {//这个过程可以循环以便加入多个LISTEN套接字进入epoll事件集合
                //服务器监听创建
                rc = listen();//listen参数这里省略


                //加入epoll事件集合
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = rc;
                if (epoll_ctl(s_epfd, EPOLL_CTL_ADD, rc, &ev) < 0) {
                        fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d", rc);
                        return(-1);
                }
        }
}


{//epoll事件处理
        int        i, nfds, sock_new;
        struct epoll_event        events[16384];
        for( ; ; ) {
                //等待epoll事件
                nfds = epoll_wait(s_epfd, events, 16384, -1);
                //处理epoll事件
                for(i = 0; i < nfds; i++) {
                        //events[i].data.fd是epoll事件中弹出的套接字
                        //接收连接
                        sock_new = accept(events[i].data.fd);//accept其它参数这里省略了
                        if(0 > sock_new) {
                                fprintf(stderr, "接收客户端连接失败\n");
                                continue;
                        }
                }
        }
}


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为什么select是落后的？
首先，在Linux内核中，select所用到的FD_SET是有限的，即内核中有个参数__FD_SETSIZE定义了每个FD_SET的句柄个数，在我用的2.6.15-25-386内核中，该值是1024，搜索内核源代码得到：
include/linux/posix_types.h:#define __FD_SETSIZE        1024
也就是说，如果想要同时检测1025个句柄的可读状态是不可能用select实现的。或者同时检测1025个句柄的可写状态也是不可能的。
其次，内核中实现select是用轮询方法，即每次检测都会遍历所有FD_SET中的句柄，显然，select函数执行时间与FD_SET中的句柄个数有一个比例关系，即select要检测的句柄数越多就会越费时。


epoll的优点：
1.支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)
    select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是2048。对于那些需要支持的上万连接数目的IM服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核，不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降，二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache方案)，不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。不过 epoll则没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。
2.IO效率不随FD数目增加而线性下降
    传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket 是"活跃"的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对"活跃"的 socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有"活跃"的socket才会主动的去调用 callback函数，其他idle状态socket则不会，在这点上，epoll实现了一个"伪"AIO，因为这时候推动力在os内核。在一些 benchmark中，如果所有的socket基本上都是活跃的---比如一个高速LAN环境，epoll并不比select/poll有什么效率，相反，如果过多使用epoll_ctl,效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境,epoll的效率就远在select/poll之上了。
3.使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。
    这点实际上涉及到epoll的具体实现了。无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核于用户空间mmap同一块内存实现的。而如果你想我一样从2.5内核就关注epoll的话，一定不会忘记手工 mmap这一步的。