I/O 多路复用之select、poll、epoll详解

同步 I/O 三种方式(select,poll,epoll)


select,poll,epoll 都是 IO 多路复用的机制。I/O 多路复用就是通过一种机制,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。但 select,poll,epoll 本质上都是同步 I/O,因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写,也就是说这个读写过程是阻塞的,而异步 I/O 则无需自己负责进行读写,异步 I/O 的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select


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

  • select 函数监视的文件描述符分3类,分别是 readfds、writefds、和 exceptfds。调用后 select 函数会阻塞,直到有描述副就绪(有数据 可读、可写、或者有 except),或者超时(timeout 指定等待时间,如果立即返回设为 null 即可),函数返回。当 select 函数返回后,可以 通过遍历 fdset,来找到就绪的描述符。
  • select 目前几乎在所有的平台上支持,其良好跨平台支持也是它的一个优点。select 的一 个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,在 Linux 上一般为1024,可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制,但是这样也会造成效率的降低。

poll


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

  • 不同与 select 使用三个位图来表示三个 fdset 的方式,poll 使用一个 pollfd 的指针实现。

struct pollfd {
    int fd; /* file descriptor(文件描述符) */
    short events; /* requested events to watch(请求监视的事件) */
    short revents; /* returned events witnessed(返回事件) */
};

  • pollfd 结构包含了要监视的 event 和发生的 event,不再使用 select “参数-值”传递的方式。同时,pollfd 并没有最大数量限制(但是数量过大后性能也是会下降)。和 select 函数一样,poll 返回后,需要轮询 pollfd 来获取就绪的描述符。
  • 从上面看,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。

epoll


epoll 是在2.6内核中提出的,是之前的 select 和 poll 的增强版本。相对于 select 和 poll 来说,epoll 更加灵活,没有描述符限制。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 copy 只需一次。

epoll操作过程需要三个接口,分别如下:

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

此处的 size 参数不同于 select() 中的第一个参数,给出最大监听的 fd+1 的值,参数 size 并不是限制了 epoll 所能监听的描述符最大个数,只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。
当创建好 epoll 句柄后,它就会占用一个 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);//对指定描述符fd执行op操作

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); //等待epfd上的io事件,最多返回maxevents个事件

总结


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。)

epoll的优点主要是一下几个方面:

  • 监视的描述符数量不受限制,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。select 的最大缺点就是进程打开的 fd 是有数量限制的。这对 于连接数量比较大的服务器来说根本不能满足。虽然也可以选择多进程的解决方案(Apache 就是这样实现的),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。

  • IO 的效率不会随着监视 fd 的数量的增长而下降。epoll 不同于 select 和 poll 轮询的方式,而是通过每个 fd 定义的回调函数来实现的。只有就绪的 fd 才会执行回调函数。

  • 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。

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