Linux之select、poll、epoll讲解

向右看齐 2023-10-14 19:28 6阅读 0赞

## 1 select、poll、epoll ##

### 1.1 引言 ###

操作系统在处理`io`的时候，主要有两个阶段：

*  等待数据传到io设备
 *  io设备将数据复制到user space

我们一般将上述过程简化理解为：

*  等到数据传到kernel内核space
 *  kernel内核区域将数据复制到user space（理解为进程或者线程的缓冲区）

`select`，`poll`，`epoll`都是`IO`多路复用的机制。`I/O`多路复用就通过一种机制，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

### 1.2 IO和Linux内核发展 ###

#### 1.2.1 整体概述 ####

整体关系流程：

![format_png][]

查看进程文件描述符：

获取pid进程号
    ps -ef 
    查看文件描述符
    cd  /proc/进程号/fd ; ll
    
    或者查看当前进程的fd  
    $$ 表示 Shell 本身的 PID  (ProcessID)
    cd  /proc/$$/fd ; ll

#### 1.2.2 阻塞IO ####

计算机是有内核（`kernel`）的，**`内核向下连接很多的客户端，内核向上连接进程或线程`**，早先内核通过`read`命令读取文件描述符（fd），在这个时期`socket`是`blocking`（阻塞的）`BIO`。

如下图所示：线程通过内核读取文件fd8，读取到用户空间后，在通过内核写入文件fd9，如果fd8阻塞了，它会阻挡后面的操作

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#### 1.2.3 非阻塞IO ####

`socket fd nonblock`（非阻塞），进程/线程用一个，用循环遍历文件描述符（轮询发生在用户空间），这个时期是同步非阻塞时期`NIO`；  
这是由于内核`socket`本身就是`nio`，同步非阻塞IO

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#### 1.2.4 select ####

如果有1000个`文件描述符fd`，代表用户进程轮询调用1000次内核（`kernel`），造成成本很大的问题。于是在内核中增加了一个系统调用`select`，用户空间调用新的系统调用，统一将所有的文件描述符传给`select`，内核监控文件描述符的完成度，文件描述符完成之后返回，返回之后还有系统调用，再调用`read`（有数据的文件描述符），这个叫多路复用`NIO`，在这个时期，文件描述符考来考去成为累赘；

![format_png 3][]

#### 1.2.5 共享空间 ####

共享空间是进程用户空间一部分，也是内核空间的一部分  
引入一个共享空间`mmap`，将文件描述符放在共享空间里，`文件描述符`放在共享空间的`红黑树`里，将`资源齐全的文件描述符`放到`链表`里

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#### 1.2.6 零拷贝 ####

什么是零拷贝

在操作系统中，使用传统的方式，数据需要经历几次拷贝，还要经历`用户态/内核态`切换

1.  从磁盘复制数据到内核态内存；
2.  从内核态内存复制到用户态内存；
3.  然后从用户态内存复制到网络驱动的内核态内存；
4.  最后是从网络驱动的内核态内存复制到网卡中进行传输。
    
    ![format_png 5][]
    
      
    所以，可以通过零拷贝的方式，减少用户态与内核态的上下文切换和内存拷贝的次数，用来提升`I/O`的性能。零拷贝比较常见的实现方式是`mmap`，这种机制在`Java`中是通过`MappedByteBuffer`实现的。
    
    ![format_png 6][]
    
      
    `sendfile`，是完成零拷贝的命令，两个参数一个写出io，一个读入io  
    在之前是先读取文件到用户空间，再写到内核中去，有了`sendfile`后，用这一个命令就可以了，不用读取写入
    
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### 1.3 select ###

#### 1.3.1 简介 ####

单个进程就可以同时处理多个网络连接的`io`请求（同时`阻塞`多个`io`操作）。基本原理就是程序呼叫`select`，然后整个程序就阻塞状态，这时候，`kernel内核`就会轮询检查所有`select`负责的`文件描述符fd`，当找到其中那个的数据准备好了文件描述符，会返回给`select`，`select`通知系统调用，将数据从`kernel`内核复制到进程缓冲区(用户空间)

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下图为`select`同时从多个客户端接受数据的过程  
虽然服务器进程会被`select`阻塞，但是`select`会利用内核`不断轮询监听`其他客户端的`io`操作是否完成

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#### 1.3.2 select缺点 ####

`select`的几大缺点：

*  每次调用`select`，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
 *  同时每次调用`select`都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
 *  `select`支持的文件描述符数量太小，默认是`1024`
 *  `select`返回的是含有整个句柄的数组, 应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件

### 1.4 poll介绍 ###

#### 1.4.1 与select差别 ####

`poll`的原理与`select`非常相似，差别如下：

*  `文件描述符fd`集合的方式不同，`poll`使用`pollfd` 结构而不是`select`结构`fd_set`结构，所以`poll`是链式的，没有最大连接数的限制
 *  `poll`有一个特点是水平触发，也就是通知程序`fd`就绪后，这次没有被处理，那么下次`poll`的时候会再次通知同个`fd`已经就绪。

#### 1.4.2 poll缺点 ####

`poll`的几大缺点：

*  每次调用`poll`，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在`fd`很多时会很大
 *  每次调用`poll`都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

### 1.5 epoll ###

#### 1.5.1 epoll相关函数 ####

`epoll`：提供了三个函数：

*  `int epoll_create(int size);`  
    建立一个 `epoll` 对象，并传回它的id
 *  `int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);`  
    事件注册函数，将需要监听的事件和需要监听的fd交给`epoll`对象
 *  `int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);`  
    等待注册的事件被触发或者`timeout`发生

#### 1.5.2 epoll优点 ####

`epoll`解决的问题：

*  `epoll`没有`fd`数量限制  
    `epoll`没有这个限制，我们知道每个`epoll`监听一个`fd`，所以最大数量与能打开的fd数量有关，一个g的内存的机器上，能打开10万个左右  
    `cat /proc/sys/fs/file-max`可以查看文件数量
 *  `epoll`不需要每次都从用户空间将`fd` 复制到内核`kernel`  
    `epoll`在用`epoll_ctl`函数进行事件注册的时候，已经将`fd`复制到内核中，所以不需要每次都重新复制一次
 *  `select` 和 `poll` 都是主动轮询机制，需要遍历每一个`fd`；  
    `epoll`是`被动触发`方式，给`fd`注册了相应事件的时候，我们为每一个fd指定了一个回调函数，当数据准备好之后，就会把就绪的`fd`加入一个就绪的队列中，`epoll_wait`的工作方式实际上就是在这个就绪队列中查看有没有就绪的fd，如果有，就唤醒就绪队列上的等待者，然后调用回调函数。
 *  虽然`epoll`需要查看是否有fd就绪，但是`epoll`之所以是被动触发，就在于它只要去查找就绪队列中有没有fd，就绪的`fd`是主动加到队列中，`epoll`不需要一个个轮询确认。  
    换一句话讲，就是`select`和`poll`只能通知有fd已经就绪了，但不能知道究竟是哪个fd就绪，所以`select`和`poll`就要去主动轮询一遍找到就绪的`fd`。而`epoll`则是不但可以知道有`fd`可以就绪，而且还具体可以知道就绪fd的编号，所以直接找到就可以，不用轮询。
 *  我们在调用`epoll_create`时，内核除了帮我们在`epoll`文件系统里建了个`file`结点，在内核`cache`里建了个`红黑树`用于存储以后`epoll_ctl`传来的`socket`外，还会再建立一个`list`链表，用于存储准备就绪的事件，当`epoll_wait`调用时，仅仅观察这个`list`链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就`sleep`，等到`timeout`时间到后即使链表没数据也返回。所以，`epoll_wait`非常高效

这个准备就绪list链表是怎么维护的呢?

> 当我们执行`epoll_ctl`时，除了把`socket`放到`epoll`文件系统里`file`对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪`list`链表里;当一个`socket`上有数据到了，内核在把网卡上的数据`copy`到内核中后就来把`socket`插入到准备就绪链表里了

> `一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache`，就帮我们解决了大并发下的`socket`处理问题。执行`epoll_create`时，创建了`红黑树`和`就绪链表`，执行`epoll_ctl`时，如果增加`socket`句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行`epoll_wait`时立刻返回准备就绪链表里的数据即可

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