IO多路复用三种机制Select，Poll，Epoll

ゝ一纸荒年。 2021-12-07 12:39 305阅读 0赞

I/O多路复用（multiplexing）的本质是通过一种机制（系统内核缓冲I/O数据），让单个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。

select、poll 和 epoll 都是 Linux API 提供的 IO 复用方式。

相信大家都了解了Unix五种IO模型，不了解的可以

*  \[1\] blocking IO - 阻塞IO
 *  \[2\] nonblocking IO - 非阻塞IO
 *  \[3\] IO multiplexing - IO多路复用
 *  \[4\] signal driven IO - 信号驱动IO
 *  \[5\] asynchronous IO - 异步IO

其中前面4种IO都可以归类为synchronous IO - 同步IO，而select、poll、epoll本质上也都是同步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。

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。

**在介绍select、poll、epoll之前，首先介绍一下Linux操作系统中基础的概念：**

*  **用户空间 / 内核空间**  
    现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。  
    操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操作系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。
 *  **进程切换**  
    为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的，并且进程切换是非常耗费资源的。
 *  **进程阻塞**  
    正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得了CPU资源），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。
 *  **文件描述符**  
    文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。  
    文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。
 *  **缓存I/O**  
    缓存I/O又称为标准I/O，大多数文件系统的默认I/O操作都是缓存I/O。在Linux的缓存I/O机制中，操作系统会将I/O的数据缓存在文件系统的页缓存中，即数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

# Select #

select()的机制中提供一种`fd_set`的数据结构，实际上是一个long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄（不管是Socket句柄,还是其他文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd\_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

**select机制的问题**

1.  每次调用select，都需要把`fd_set`集合从用户态拷贝到内核态，如果`fd_set`集合很大时，那这个开销也很大
2.  同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有`fd_set`，如果`fd_set`集合很大时，那这个开销也很大
3.  为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的`fd_set`集合大小做了限制，并且这个是通过宏控制的，大小不可改变(限制为1024)

# Poll #

poll的机制与select类似，与select在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。也就是说，poll只解决了上面的问题3，并没有解决问题1，2的性能开销问题。

# Epoll #

epoll在Linux2.6内核正式提出，是基于事件驱动的I/O方式，相对于select来说，epoll没有描述符个数限制，使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关心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是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

*  **水平触发（LT）：**默认工作模式，即当epoll\_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件；下次调用epoll\_wait时，会再次通知此事件
 *  **边缘触发（ET）：** 当epoll\_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll\_wait时，不会再次通知此事件。（直到你做了某些操作导致该描述符变成未就绪状态了，也就是说边缘触发只在状态由未就绪变为就绪时只通知一次）。

# 总结 #

一张图总结一下select,poll,epoll的区别：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

select和poll即使只有一个描述符就绪，也要遍历整个集合。如果集合中活跃的描述符很少，遍历过程的开销就会变得很大，而如果集合中大部分的描述符都是活跃的，遍历过程的开销又可以忽略。

epoll的实现中每次只遍历活跃的描述符(如果是水平触发，也会遍历先前活跃的描述符)，在活跃描述符较少的情况下就会很有优势，在代码的分析过程中可以看到epoll的实现过于复杂并且其实现过程中需要同步处理(锁)，如果大部分描述符都是活跃的，epoll的效率可能不如select或poll。

内核将就绪的文件描述符放在传入的就绪队列中,所以只用遍历依次处理即可。这里返回的文件描述符是通过mmap让内核和用户空间共享同一块内存实现传递的,减少了不必要的拷贝。

epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。目前流行的高性能web服务器Nginx正式依赖于epoll提供的高效网络套接字轮询服务。但是，在并发连接不高的情况下，多线程+阻塞I/O方式可能性能更好。

参考文章：[https://www.jianshu.com/p/397449cadc9a][https_www.jianshu.com_p_397449cadc9a]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ppblhZYW4_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211207/120ae477e59742f7a1d3bcf126d5aa84.png
[https_www.jianshu.com_p_397449cadc9a]: https://www.jianshu.com/p/397449cadc9a