【UNIX】IO复用

一、select

1、原型：

int select( int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);

struct timeval{

long tv_sec;

long tv_usec;

};

void FD_ZERO(fd_set *fdset);

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

2、特点

select的特点：select 选择句柄的时候，是遍历所有句柄，也就是说句柄有事件响应时，select需要遍历所有句柄才能获取到哪些句柄有事件通知，因此效率是非常低。但是如果连接很少的情况下， select和epoll的LT触发模式相比， 性能上差别不大。

 

二、poll

1、含义

n. 民意调查,民意测验;得票数;人头,人头税,选举名册

v. 投票,作民意调查

2、原型

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

struct pollfd{

int fd;                     // descriptor to check

short events;         // events of interest on fd

short revents;        // events that occurred on fd

};

 

3、poll和select差不多，都是轮询fd的。

 

4、原理：

poll的主要原理是，用户把关心的socket fd放到一个struct pollfd数组，调用poll()函数，让内核去轮询每一个fd，查看是否有事件发生，

其中，每次调用poll时都会把struct pollfd数组copy到内核。

这样的做法有几个缺点：

1. 当用户传入的fd很多时，由于poll系统调用每次都要把所有struct pollfd拷进内核，所以参数传递和页分配此时就成了poll系统调用的

性能瓶颈。

2. 轮询的每个fd，也是性能瓶颈之一。

 

5、epoll的出现正是为了解决上述问题的

 

三、epoll

1、含义

拓展的poll，epoll只有linux 2.6的内核才能支持。

 

2、接口，一共就三个函数

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。

第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，

这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也

有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

 

3、一个epoll服务器的例子

#include <iostream> #include <sys/socket.h> #include <sys/epoll.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> using namespace std; #define MAXLINE 5 #define OPEN_MAX 100 #define LISTENQ 20 #define SERV_PORT 5000 #define INFTIM 1000 void setnonblocking(int sock) { int opts; opts=fcntl(sock,F_GETFL); if(opts<0) { perror("fcntl(sock,GETFL)"); exit(1); } opts = opts|O_NONBLOCK; if(fcntl(sock,F_SETFL,opts)<0) { perror("fcntl(sock,SETFL,opts)"); exit(1); } } int main(int argc, char* argv[]) { int i, maxi, listenfd, connfd, sockfd,epfd,nfds, portnumber; ssize_t n; char line[MAXLINE]; socklen_t clilen; if ( 2 == argc ) { if( (portnumber = atoi(argv[1])) < 0 ) { fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]); return 1; } } else { fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber/a/n",argv[0]); return 1; } //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件 struct epoll_event ev,events[20]; //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符 epfd=epoll_create(256); struct sockaddr_in clientaddr; struct sockaddr_in serveraddr; listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //把socket设置为非阻塞方式 //setnonblocking(listenfd); //设置与要处理的事件相关的文件描述符 ev.data.fd=listenfd; //设置要处理的事件类型 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //ev.events=EPOLLIN; //注册epoll事件 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr)); serveraddr.sin_family = AF_INET; char *local_addr="127.0.0.1"; inet_aton(local_addr,&(serveraddr.sin_addr));//htons(portnumber); serveraddr.sin_port=htons(portnumber); bind(listenfd,(sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)); listen(listenfd, LISTENQ); maxi = 0; for ( ; ; ) { //等待epoll事件的发生 nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500); //处理所发生的所有事件 for(i=0;i<nfds;++i) { if(events[i].data.fd==listenfd)//如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。 { connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); if(connfd<0){ perror("connfd<0"); exit(1); } //setnonblocking(connfd); char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr); cout << "accapt a connection from " << str << endl; //设置用于读操作的文件描述符 ev.data.fd=connfd; //设置用于注测的读操作事件 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //ev.events=EPOLLIN; //注册ev epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); } else if(events[i].events&EPOLLIN)//如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。 { cout << "EPOLLIN" << endl; if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue; if ( (n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0) { if (errno == ECONNRESET) { close(sockfd); events[i].data.fd = -1; } else std::cout<<"readline error"<<std::endl; } else if (n == 0) { close(sockfd); events[i].data.fd = -1; } line[n] = '/0'; cout << "read " << line << endl; //设置用于写操作的文件描述符 ev.data.fd=sockfd; //设置用于注测的写操作事件 ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET; //修改sockfd上要处理的事件为EPOLLOUT //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); } else if(events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送 { sockfd = events[i].data.fd; write(sockfd, line, n); //设置用于读操作的文件描述符 ev.data.fd=sockfd; //设置用于注测的读操作事件 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); } } } return 0; } 

 

4、LT和ET

此可以通过epoll_ctl函数来指定触发方式

LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务

编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。

ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致

的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。

从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的。

 

5、特点

epoll对于句柄事件的选择不是遍历的，是事件响应的，就是句柄上事件来就马上选择出来，不需要遍历整个句柄链表，因此效率非常高，

内核将句柄用红黑树保存的。

使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。

 

四、epoll与poll、select的比较

 

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。

4.内核微调
    这一点其实不算epoll的优点了，而是整个linux平台的优点。也许你可以怀疑linux平台，但是你无法回避linux平台赋予你微调内核的能

力。比如，内核TCP/IP协议栈使用内存池管理sk_buff结构，那么可以在运行时期动态调整这个内存pool(skb_head_pool)的

大小-- - 通过echo XXXX>/proc/sys/net/core/hot_list_length完成。再比如listen函数的第2个参数(TCP完成3次握手的数据包

队列长度)，也可以根据你平台内存大小动态调整。更甚至在一个数据包面数目巨大但同时每个数据包本身大小却很小的特殊系统上尝试

最新的NAPI网卡驱动架构。

 

注：部分转载。。。