IO多路复用之select、poll、epoll
IO多路复用：通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。
应用：适用于针对大量的io请求的情况，对于服务器必须在同时处理来自客户端的大量的io操作的时候，就非常适合
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势就是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。
一、IO多路复用使用场景
二、select
2.1 select基本原理
2.2 select基本流程
2.3 select函数原型
该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒自己。函数原型如下：
#include <sys/select.h> #include <sys/time.h> int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout) 返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1 函数参数介绍如下： （1）第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1）. 描述字0、1、2...(maxfdp1-1)均将被测试（文件描述符是从0开始的）。 （2）中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。
struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置： void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合 void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中 void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除 int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 （3）timeout指定等待的时间，告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。 struct timeval{ long tv_sec; //seconds long tv_usec; //microseconds }; 这个参数有三种可能： （1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。 （2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。 （3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。
2.4 select优点
1. 跨平台。（几乎所有的平台都支持）
2. 时间精度高。（ns级别）
2.5 select缺点
1. 最大限制：单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制。(基于数组存储的赶脚)
一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。它由FD_SETSIZE设置，32位机默认是1024个。64位机默认是2048.
2.时间复杂度： 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低，时间复杂度O(n)。
三、poll
改进了select最大数量限制。
3.1 poll基本原理
3.2 poll基本流程
3.3 poll函数原型
函数格式如下所示：
# include <poll.h>
# include <arpa/inet.h>
int poll ( struct pollfd * fds, unsigned int nfds, int timeout);
（1）pollfd结构体定义如下： struct pollfd { int fd; /* 文件描述符 */ short events; /* 等待的事件 */ short revents; /* 实际发生了的事件 */ } ; 每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符。因此可以传递多个结构体，指示poll()监视多个文件描述符。
（2）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。 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。 POLLMSGSIGPOLL 消息可用。
（3）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。
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。
（4）举个栗子：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。
（5）nfds参数是数组fds元素的个数。
（6）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，使poll()一直挂起直到一个指定事件发生；
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。
(7)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。
EFAULTfds 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。
EINVALnfds 参数超出PLIMIT_NOFILE值。
ENOMEM 可用内存不足，无法完成请求。
3.4 poll优点
1. 没有最大连接数的限制。（基于链表来存储的）
3.5 poll缺点
1. 时间复杂度： 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低，时间复杂度O(n)。
注意：select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，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，其效率也会线性下降。
四、epoll
epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。是为处理大批量句柄而作了改进的poll。
epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的拷贝只需要一次。
4.1 epoll基本原理
epoll有两大特点：
1. 边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。
2. 事件驱动，每个事件关联上fd，使用事件就绪通知方式，通过 epoll_ctl 注册 fd，一旦该fd就绪，内核就会采用 callback 的回调机制来激活该fd，epoll_wait 便可以收到通知。
4.2 epoll基本流程
一棵红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。
1. 执行 epoll_create
内核在epoll文件系统中建了个file结点，（使用完，必须调用close()关闭，否则导致fd被耗尽）
在内核cache里建了红黑树存储epoll_ctl传来的socket，
在内核cache里建了rdllist双向链表存储准备就绪的事件。
2. 执行 epoll_ctl
如果增加socket句柄，检查红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，告诉内核如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。
ps：所有添加到epoll中的事件都会与设备（如网卡）驱动程序简历回调关系，相应的事件发生时，会调用回调方法。
3. 执行 epoll_wait
立刻返回准备就绪表里的数据即可（将内核cache里双向列表中存储的准备就绪的事件 复制到用户态内存）
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。
如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。
4.3 epoll函数原型
epoll操作过程需要三个接口，分别如下：
#include <sys/epoll.h> 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);
（1） 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。*/
这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。
需要注意的是:
当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，
所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。 （2）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epoll的事件注册函数，而是在这里先注册要监听的事件类型。
第一个参数 epfd 是epoll_create()的返回值，
第二个参数 op 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；
第三个参数是需要监听的fd，
第四个参数是告诉内核需要监听什么事，
struct epoll_event结构如下：
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
events可以是以下几个宏的集合：
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；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
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，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
（3） 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，
参数 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。
4.4 epoll优点
1. 没有最大连接数的限制。（基于 红黑树+双链表 来存储的:1G的内存上能监听约10万个端口）
2. 时间复杂度低： 边缘触发和事件驱动，监听回调，时间复杂度O(1)。
只有活跃可用的fd才会调用callback函数；即epoll最大的优点就在于它只管“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此实际网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
3. 内存拷贝：利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递，减少拷贝开销。
4.5 epoll缺点
1. 依赖于操作系统：Lunix
4.6 epoll应用场景
适合用epoll的应用场景：
对于连接特别多，活跃的连接特别少
典型的应用场景为一个需要处理上万的连接服务器，例如各种app的入口服务器，例如qq
不适合epoll的场景：
连接比较少，数据量比较大，例如ssh
epoll 的惊群问题：
因为epoll 多用于多个连接，只有少数活跃的场景，但是万一某一时刻，epoll 等的上千个文件描述符都就绪了，这时候epoll 要进行大量的I/O，此时压力太大。
4.7 epoll两种模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT(level trigger) 和 ET(edge trigger)。LT是默认的模式，ET是“高速”模式。
LT（水平触发）模式下，只要有数据就触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致 epoll_wait都会返回它的事件；
ET（边缘触发）模式下，只有新数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll_wait返回。
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,只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作。
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)。
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。注意：1. 在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。2. 如果没有大量的idle-connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当遇到大量的idle-connection，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。
五、select、poll、epoll区别
它们三个都是 就绪设备 通知 。
1、支持一个进程所能打开的最大连接数
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select |
单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义，其大小是32个整数的大小（在32位的机器上，大小就是32*32，同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64），当然我们可以对进行修改，然后重新编译内核，但是性能可能会受到影响，这需要进一步的测试。 |
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poll |
poll本质上和select没有区别，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的 |
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epoll |
虽然连接数有上限，但是很大，1G内存的机器上可以打开10万左右的连接，2G内存的机器可以打开20万左右的连接 |
2、FD剧增后带来的IO效率问题
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select |
因为每次调用时都会对连接进行线性遍历，所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。 |
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poll |
同上 |
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epoll |
因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback，所以在活跃socket较少的情况下，使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题，但是所有socket都很活跃的情况下，可能会有性能问题。 |
3、 消息传递方式
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select |
内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作 |
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poll |
同上 |
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epoll |
epoll通过mmap把对应设备文件片断映射到用户空间上, 消息传递不通过内核, 内存与设备文件同步数据. |
总结：
综上，在选择select，poll，epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特点。
1、表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。
2、select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善
