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浅谈select,poll和epoll的区别

select,poll和epoll其实都是操作系统中IO多路复用实现的方法。

select

select方法本质其实就是维护了一个文件描述符(fd)数组,以此为基础,实现IO多路复用的功能。这个fd数组有长度限制,在32位系统中,最大值为1024个,而在64位系统中,最大值为2048个,这个配置可以调用

cat /proc/sys/fs/file-max
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select方法被调用,首先需要将fd_set从用户空间拷贝到内核空间,然后内核用poll机制(此poll机制非IO多路复用的那个poll方法,可参加附录)直到有一个fd活跃,或者超时了,方法返回。

int select(int maxfdpl, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
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  • 如果返回值为-1,表明发生了错误
  • 如果返回值为0,表明超时了
  • 如果返回值为正数,表明有n个fd准备就绪了

select方法返回后,需要轮询fd_set,以检查出发生IO事件的fd。这样一套下来,select方法的缺点就很明显了:

  • fd_set在用户空间和内核空间的频繁复制,效率低
  • 单个进程可监控的fd数量有限制,无论是1024还是2048,对于很多情景来说都是不够用的。
  • 基于轮询来实现,效率低

poll

int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);
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poll本质上和select没有区别,依然需要进行数据结构的复制,依然是基于轮询来实现,但区别就是,select使用的是fd数组,而poll则是维护了一个链表,所以从理论上,poll方法中,单个进程能监听的fd不再有数量限制。但是轮询,复制等select存在的问题,poll依然存在

epoll

epoll就是对select和poll的改进了。它的核心思想是基于事件驱动来实现的,实现起来也并不难,就是给每个fd注册一个回调函数,当fd对应的设备发生IO事件时,就会调用这个回调函数,将该fd放到一个链表中,然后由客户端从该链表中取出一个个fd,以此达到O(1)的时间复杂度

epoll操作实际上对应着有三个函数:epoll_createepoll_ctrepoll_wait

epoll_create

epoll_create相当于在内核中创建一个存放fd的数据结构。在select和poll方法中,内核都没有为fd准备存放其的数据结构,只是简单粗暴地把数组或者链表复制进来;而epoll则不一样,epoll_create会在内核建立一颗专门用来存放fd结点的红黑树,后续如果有新增的fd结点,都会注册到这个epoll红黑树上。

epoll_ctr

另一点不一样的是,select和poll会一次性将监听的所有fd都复制到内核中,而epoll不一样,当需要添加一个新的fd时,会调用epoll_ctr,给这个fd注册一个回调函数,然后将该fd结点注册到内核中的红黑树中。当该fd对应的设备活跃时,会调用该fd上的回调函数,将该结点存放在一个就绪链表中。这也解决了在内核空间和用户空间之间进行来回复制的问题。

epoll_wait

epoll_wait的做法也很简单,其实直接就是从就绪链表中取结点,这也解决了轮询的问题,时间复杂度变成O(1)

所以综合来说,epoll的优点有:

  • 没有最大并发连接的限制,远远比1024或者2048要大。(江湖传言1G的内存上能监听10W个端口)
  • 效率变高。epoll是基于事件驱动实现的,不会随着fd数量上升而效率下降
  • 减少内存拷贝的次数

水平触发和边缘触发

简单理解下

水平触发的意思就是说,只要条件满足,对应的事件就会一直被触发。所以如果条件满足了但未进行处理,那么就会一直被通知

边缘触发的意思就是说,条件满足后,对应的事件只会被触发一次,无论是否被处理,都只会触发一次。

而对于select和poll来说,其触发都是水平触发。而epoll则有两种模式:·EPOLLLT和EPOLLET

  • EPOLLLT(默认状态):也就是水平触发。在该模式下,只要这个fd还有数据可读,那么epoll_wait函数就会返回该fd
  • EPOLLET(高速模式):也就是边缘触发。在该模式下,当被监控的fd上有可读写事件发生时,epoll_wait会通知程序去读写,若本次读写没有读完所有数据,或者甚至没有进行处理,那么下一次调用epoll_wait时,也不会获取到该fd。这种效率比水平触发的要高,系统中不会充斥着大量程序不感兴趣的fd,不感兴趣直接忽视就行,下次不会再触发

总结:

  • select,poll是基于轮询实现的,将fd_set从用户空间复制到内核空间,然后让内核空间以poll机制来进行轮询,一旦有其中一个fd对应的设备活跃了,那么就把整个fd_set返回给客户端(复制到用户空间),再由客户端来轮询每个fd的,找出发生了IO事件的fd
  • epoll是基于事件驱动实现的,加入一个新的fd,会调用epoll_ctr函数为该fd注册一个回调函数,然后将该fd结点注册到内核中的epoll红黑树中,当IO事件发生时,就会调用回调函数,将该fd结点放到就绪链表中,epoll_wait函数实际上就是从这个就绪链表中获取这些fd。
  • epoll分为EPOLLLT(水平触发,默认状态)和EPOLLET(边缘触发,效率高)
  • 并不是所有的情况中epoll都是最好的,比如当fd数量比较小的时候,epoll不见得就一定比select和poll好
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