IO复用之select poll epoll的总结(推荐)

2024-09-01 13:50:04

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供稿：网友

I/O复用使得程序能够同时监听多个文件描述符，对于提高程序性能至关重要。I/O复用不仅仅在网络程序中使用，但是我接触到的例子中，TCP网络编程那块使用I/O复用比较多，例如，TCP服务器同时处理监听socket和连接socket.

在了解I/O复用之前，我们需要先了解几个概念。

1，同步I/O与异步I/O

2，LT（水平触发）和ET（边缘触发）

POSIX把两个术语定义如下：

同步I/O：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成

异步I/O：不导致请求进程阻塞

阻塞是进程在等待某种资源，但是不能马上得到，必须等待别的进程释放资源才能继续，属于被动无法得到时间片，内核就切换其它进程运行。

它与休眠和挂起的区别：休眠一般为主动式的放弃一段CPU时间。

挂起是运行时间片到了,内核要调度其它进程运行,被动式的失去CPU。（挂起可以被别的进程给抢占导致挂起，也可以自己主动挂起自己。）

Unix下可用的5种I/O模型：1，阻塞式I/O 2，非阻塞式I/O 3，I/O 复用 4，信号驱动I/O（SIGIO） 5，异步I/O

1--4为同步I/O,5为异步I/O。

我们关注的I/O复用属于同步I/O，会导致进程阻塞。

在linux的IO多路复用中有水平触发,边缘触发两种模式,这两种模式的区别如下:

水平触发(LT,level-triggered，也被称为条件触发):只要满足条件，就触发一个事件(只要有数据没有被获取，内核就不断通知你).如果文件描述符已经就绪可以非阻塞的执行IO操作了,此时会触发通知.允许在任意时刻重复检测IO的状态,没有必要每次描述符就绪后尽可能多的执行IO.select,poll就属于水平触发.

边缘触发(ET,edge-triggered)每当状态变化时，触发一个事件.如果文件描述符自上次状态改变后有新的IO活动到来,此时会触发通知.在收到一个IO事件通知后要尽可能多的执行IO操作,因为如果在一次通知中没有执行完IO那么就需要等到下一次新的IO活动到来才能获取到就绪的描述符.信号驱动式IO就属于边缘触发.

epoll既可以选择水平触发，也可以选择边缘触发

下面具体介绍三大I/O复用：select,poll,epoll

int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);returns numbers of ready descriptors,0 on timeout,or -1 on errorint poll(struct pollfd fds[],nfds_t nfds,int timeout);returns number of ready file descriptors,0 on timeout,or -1 on error;epollint 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);

下面从事件集、最大支持文件描述符、工作模式、具体实现四个方面进行对比：

3组系统调用都通过某种结构体来高速内核监听哪些文件描述符上的事件，并使用该结构体类型的参数来获取内核处理的结构。

select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，只能处理可读、可写、异常事件，这使得select不能处理更多类型的事件。由于内核对fd_set的修改，应用程序下次调用select前需要重置这3个fd_set集合。

poll通过把文件描述符和事件定义在pollfd中，任何事件都被统一处理，从而使得编程接口简洁许多。并且内核每次修改的是pollfd结构体的revents成员，而events成员保持不变，因此下次调用poll时无须重置pollfd结构体类型的事件集参数。由于每次select 和poll调用都返回整个用户注册的事件集合（其中包括就绪的和未就绪的）,所以应用程序索引就绪文件描述符的时间复杂度为O（n）.epoll 则采用与select和poll完全不同的方式来管理用户注册的事件。它在内核中维护一个事件表，并提供了一个独立的系统调用epoll_ctl来控制往其中添加、删除、修改事件。这样，每次epoll_wait调用都直接从该内核事件表中取得用户注册的事件，而无须反复从用户空间读入这些事件。epoll_wait系统调用的events参数仅用来返回就绪的事件，这使得应用程序索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(1)

poll和epoll_wait分别用nfds和maxevents参数指定最多监听多少个文件描述符和事件。这两个数值都能达到系统最大的文件描述符数目，即65535(cat/proc/sys/fs/file-max).而select允许监听的最大文件描述符数量通常有限制。虽然用户可以修改这个限制，但这可能导致不可预期的后果。

select和poll都只能工作在LT模式，而epoll可以工作在ET模式。并且epoll还支持EPOLLONESHOT事件，该事件可以进一步减少可读、可写、和异常等事件被触发的次数

实现原理上，select和poll采用轮询的方式，即每次都要扫描整个注册文件描述符集合，并将其中就绪的文件描述符返回给用户程序，因此他们检测就绪事件的时间复杂度为O（n）.epoll_wait采用回调的方式，内核检测到就绪文件描述符时，将触发回调函数，回调函数将该文件描述符上对应的事件插入内核就绪事件队列。内核最后在适当时机将该就绪事件队列中的内容拷贝到用户空间。因此epoll_wait无须轮询整个文件描述符集合来检测哪些文件描述符就绪，其算法复杂度为O(1).

总结起来如下表所示

select,poll,epoll