select、poll和epoll之间的区别

我就是我 2022-09-11 10:14 154阅读 0赞

在深入理解select、poll和epoll之间的区别之前，首先要了解什么是IO多路复用模型。

### IO多路复用 ###

简单来说，IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备就绪，它就通知该进程去进行IO操作。

详细的描述可以参考[IO模型][IO]。select、poll和epoll都是提供I/O多路复用的解决方案。

### select ###

*  **函数**

int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, 
                fd_set *exceptset, struct timeval *timeout);

*  **基本原理**：select 函数监视的文件描述符分3类，分别是`writefds`、`readfds`、和`exceptfds`。调用select时会被阻塞，直到有fd就绪（读、写、或者异常），或者超时（`timeout`指定等待时间，如果立即返回设为`null`即可）函数返回一个大于`0`的值，然后通过遍历文件描述符集合`fd_set`，来找到就绪的描述符
 *  **说明**：`maxfdp`是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1。`fd_set`是以位图的形式来存储这些文件描述符。`maxfdp`也就是定义了位图中有效地位的个数
 *  **时间复杂度**：`O(n)`，`n`为文件描述符集合`fd_set`的大小
 *  **文件描述符最大限制**：`1024`

### poll ###

*  **函数**

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

*  **基本原理**：和select 函数很相似，定义了一个`struct pollfd`结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的所有文件描述符。调用poll函数之后，系统不会清空这个数组。特别是对于文件描述符比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率。这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select()函数会清空它所检测的文件描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把文件描述符重新加入到待检测的集合中。**因此，select()函数适合于只检测一个文件描述符的情况，而poll()函数适合于大量文件描述符的情况**
 *  **时间复杂度**：`O(n)`，`n`为文件描述符集合的大小
 *  **文件描述符最大限制**：无限制，`fds`是一个链表

### epoll ###

*  **函数**

// 建立一个epoll对象，参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数
    int epoll_create(int size);

// 操作上面建立的epoll
    // 例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者
    // 把 epoll正在监控的某个socket句并移出epoll
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

// 在指定的timeout时间内，当所有句柄中有事件发生时，就返回给用户态的进程
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

*  **基本原理**：将所有的文件描述符`fd_set`存储在共享内存（用户空间和内核空间都可以直接访问）。调用`epoll_create`函数创建epoll对象，并以红黑树的结构存储在内核空间，`epoll_ctl`函数用来在红黑树中添加或者注销待监视文件描述符，最后调用`epoll_wait`函数直到有就绪的文件描述符立即返回给用户态进程

![epoll调用过程][epoll]

*  **时间复杂度**：`O(1)`
 *  **文件描述符最大限制**：能打开的fd的上限远大于`1024`（`1G`的内存上能监听约`10w+`）

epoll的两种工作方式

*  **水平触发（LT）**：若就绪的事件一次没有处理完所有要做的事件，就会一直去处理。即就会将没有处理完的事件继续放回到就绪队列之中（即那个内核中的链表），一直进行处理
 *  **边缘触发（ET）** ：就绪的事件只能处理一次，若没有处理完会在下次的其它事件就绪时再进行处理。而若以后再也没有就绪的事件，那么剩余的那部分数据也会随之而丢失。

ET模式的效率比LT模式的效率要高很多。只是如果使用ET模式，就要保证每次进行数据处理时，要将其处理完，不能造成数据丢失，这样对编写代码的人要求就比较高。 为了保证数据的完整性，ET模式只支持非阻塞的读写。

### select、poll和epoll对比 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>实现机制</th> 
   <th>时间复杂度</th> 
   <th>连接数</th> 
   <th>传递方式</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>select</td> 
   <td><code>O(n)</code></td> 
   <td><code>1024</code></td> 
   <td>内核--&gt;用户</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>poll</td> 
   <td><code>O(n)</code></td> 
   <td>无限制</td> 
   <td>内核--&gt;用户</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>epoll</td> 
   <td><code>O(1)</code></td> 
   <td>很大</td> 
   <td>共享内存</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在select和poll中，进程只有在调用方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，发现有任何一个文件描述符就绪或者超时就立刻返回。epoll采用基于事件的就绪通知方式，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。

[IO]: https://www.jianshu.com/p/ef03b457cb2a
[epoll]: /images/20220828/cdebce921cd04c119a8f8b09da15291f.png