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  • 【Linux】IO多路复用之select、poll、epoll模型

      因为select、poll、epoll都是IO复用模型的解决方案,它们最终的目标都是为了解决单个应用进程(从应用的角度来看这里也可以理解为单个线程,从系统的角度来看这里面向的就是应用进程)能同时处理多个网络连接的问题,如果不了解IO复用模型,建议先看下这篇 https://zhuanlan.zhihu.com/p/115912936

      从宏观上如果系统要对外提供一个进程可以监控多个连接的方法的话,那么实现这个方法需要考虑的问题主要是下面几条,而select、poll、epoll 他们的不同之处也都是围绕着这几点展开的:

      1、系统如何知道进程需要监控哪些连接和事件(也就是fd)。

      2、系统知道进程需要监控的连接和事件后,采用什么方式去对fd进行状态的监控。

      3、系统监控到活跃事件后如何通知进程。

    select模型

      应用进程想要通过select 去监控多个连接(也就是fd)的话需要经向大概如下的流程:

      1、在调用select之前告诉select 应用进程需要监控哪些fd可读、可写、异常事件,这些分别都存在一个fd_set数组中。

      2、然后应用进程调用select的时候把3个fd_set传给内核(这里也就产生了一次fd_set在用户空间到内核空间的复制),内核收到fd_set后对fd_set进行遍历,然后一个个去扫描对应fd是否满足可读写事件。

      

      3、如果发现了有对应的fd有读写事件后,内核会把fd_set里没有事件状态的fd句柄清除,然后把有事件的fd返回给应用进程(这里又会把fd_set从内核空间复制用户空间)。 

      4、最后应用进程收到了select返回的活跃事件类型的fd句柄后,再向对应的fd发起数据读取或者写入数据操作。

      

      通过上面的图我想你已经大概了解了select的工作模式,select 提供一种可以用一个进程监控多个网络连接的方式,但也还遗留了一些问题,这些问题也是后来select面对高并发环境的性能瓶颈。

      1、每调用一次select 就需要3个事件类型的fd_set需从用户空间拷贝到内核空间去,返回时select也会把保留了活跃事件的fd_set返回(从内核拷贝到用户空间)。当fd_set数据大的时候,这个过程消耗是很大的。

      2、select需要逐个遍历fd_set集合 ,然后去检查对应fd的可读写状态,如果fd_set 数据量多,那么遍历fd_set 就是一个比较耗时的过程。

      3、fd_set是个集合类型的数据结构有长度限制,32位系统长度1024,62位系统长度2048,这个就限制了select最多能同时监控1024个连接。 

    poll模型

      在早期计算机网络并不发达,所以并发网络请求并不会很高,select模型也足够使用了,但是随着网络的高速发展,高并发的网络请求程序越来越多,而select模式下 fd_set 长度限制就开始成为了致命的缺陷。

      吸取了select的教训,poll模式就不再使用数组的方式来保存自己所监控的fd信息了,poll模型里面通过使用链表的形式来保存自己监控的fd信息,正是这样poll模型里面是没有了连接限制,可以支持高并发的请求。

       和select还有一点不同的是保存在链表里的需要监控的fd信息采用的是pollfd的文件格式,select 调用返回的fd_set是只包含了上次返回的活跃事件的fd_set集合,下一次调用select又需要把这几个fd_set清空,重新添加上自己感兴趣的fd和事件类型,而poll采用的pollfd 保存着对应fd需要监控的事件集合,也保存了一个当返回于激活事件的fd集合。 所以重新发请求时不需要重置感兴趣的事件类型参数。

      

      至于其他方面poll和select并没有多大的差别,select其他问题poll上面也还是存在。

    epoll模型

      不同于select 和poll的直接调用方式,epoll采用的是一组方法调用的方式,它的工作流程大致如下:

    1、创建内核事件表(epoll_create)

      这里主要是向内核申请创建一个fd的文件描述符作为内核事件表(B+树结构的文件,没有数量限制),这个描述符用来保存应用进程需要监控哪些fd和对应类型的事件。

      

    2、添加或移出监控的fd和事件类型(epoll_ctl)

      调用此方法可以是向内核的内核事件表 动态的添加和移出fd 和对应事件类型。

      

    3、epoll_wait 绑定回调事件

      内核向事件表的fd绑定一个回调函数。

      

      最后在epoll_wait 返回的时候内核会把活跃事件队列里的fd和事件类型返回给应用进程。

      

      

      最后,从epoll整体思路上来看,采用事先就在内核创建一个事件监听表,后面只需要往里面添加移出对应事件,因为本身事件表就在内核空间,所以就避免了向select、poll一样每次都要把自己需要监听的事件列表传输过去,然后又传回来,这也就避免了事件信息需要在用户空间和内核空间相互拷贝的问题。

       然后epoll并不是像select一样去遍历事件列表,然后逐个轮询的监控fd的事件状态,而是事先就建立了fd与之对应的回调函数,当事件激活后主动回调callback函数,这也就避免了遍历事件列表的这个操作,所以epoll并不会像select和poll一样随着监控的fd变多而效率降低,这种事件机制也是epoll要比select和poll高效的主要原因。

      原文连接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/126278747

    总结:

      

        

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