select，poll，epoll

1. Epoll是何方神聖？

Epoll但是當前在Linux下開發大規模併發網絡程序的熱門人選，Epoll 在Linux2.6內核中正式引入，和select類似，其實都I/O多路複用技術而已，並無什麼神祕的。

 

其實在Linux下設計併發網絡程序，向來不缺乏方法，好比典型的Apache模型（Process Per Connection，簡稱PPC），TPC（Thread PerConnection）模型，以及select模型和poll模型，那爲什麼還要再引入Epoll這個東東呢？那仍是有得說說的…

2. 經常使用模型的缺點

若是不擺出來其餘模型的缺點，怎麼能對比出Epoll的優勢呢。

2.1 PPC/TPC模型

這兩種模型思想相似，就是讓每個到來的鏈接一邊本身作事去，別再來煩我。只是PPC是爲它開了一個進程，而TPC開了一個線程。但是別煩我是有代價的，它要時間和空間啊，鏈接多了以後，那麼多的進程/線程切換，這開銷就上來了；所以這類模型能接受的最大鏈接數都不會高，通常在幾百個左右。

2.2 select模型

1. 最大併發數限制，由於一個進程所打開的FD（文件描述符）是有限制的，由FD_SETSIZE設置，默認值是1024/2048，所以Select模型的最大併發數就被相應限制了。本身改改這個FD_SETSIZE？想法雖好，但是先看看下面吧…

2. 效率問題，select每次調用都會線性掃描所有的FD集合，這樣效率就會呈現線性降低，把FD_SETSIZE改大的後果就是，你們都慢慢來，什麼？都超時了？？！！

3. 內核/用戶空間內存拷貝問題，如何讓內核把FD消息通知給用戶空間呢？在這個問題上select採起了內存拷貝方法，每次調用select，都須要把fd集合從用戶態拷貝到內核態。

2.3 poll模型

基本上效率和select是相同的，select缺點的2和3它都沒有改掉。

3. Epoll的提高

把其餘模型逐個批判了一下，再來看看Epoll的改進之處吧，其實把select的缺點反過來那就是Epoll的優勢了。

3.1. Epoll沒有最大併發鏈接的限制，上限是最大能夠打開文件的數目，這個數字通常遠大於2048, 通常來講這個數目和系統內存關係很大，具體數目能夠cat /proc/sys/fs/file-max察看。

3.2. 效率提高，Epoll最大的優勢就在於它只管你「活躍」的鏈接，而跟鏈接總數無關，所以在實際的網絡環境中，Epoll的效率就會遠遠高於select和poll。

3.3. 內存拷貝，Epoll在這點上使用了「共享內存」，這個內存拷貝也省略了。

 

4. Epoll爲何高效

Epoll的高效和其數據結構的設計是密不可分的，這個下面就會提到。

首先回憶一下select模型，當有I/O事件到來時，select通知應用程序有事件到了快去處理，而應用程序必須輪詢全部的FD集合，測試每一個FD是否有事件發生，並處理事件

Epoll不只會告訴應用程序有I/0事件到來，還會告訴應用程序相關的信息，這些信息是應用程序填充的，所以根據這些信息應用程序就能直接定位到事件，而沒必要遍歷整個FD集合。

6. 使用Epoll

既然Epoll相比select這麼好，那麼用起來如何呢？會不會很繁瑣啊…先看看下面的三個函數吧，就知道Epoll的易用了。

 

intepoll_create(int size);

生成一個Epoll專用的文件描述符，實際上是申請一個內核空間，用來存放你想關注的socket fd上是否發生以及發生了什麼事件。size就是你在這個Epoll fd上能關注的最大socket fd數，大小自定，只要內存足夠。

intepoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event *event);

控制某個Epoll文件描述符上的事件：註冊、修改、刪除。其中參數epfd是epoll_create()建立Epoll專用的文件描述符。相對於select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。

intepoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);

等待I/O事件的發生；參數說明：

epfd:由epoll_create() 生成的Epoll專用的文件描述符；

epoll_event:用於回傳代處理事件的數組；

maxevents:每次能處理的事件數；

timeout:等待I/O事件發生的超時值；

返回發生事件數。

相對於select模型中的select函數。

 

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Epoll模型主要負責對大量併發用戶的請求進行及時處理，完成服務器與客戶端的數據交互。其具體的實現步驟以下：
(a) 使用epoll_create()函數建立文件描述，設定將可管理的最大socket描述符數目。
(b) 建立與epoll關聯的接收線程，應用程序能夠建立多個接收線程來處理epoll上的讀通知事件，線程的數量依賴於程序的具體須要。
(c) 建立一個偵聽socket描述符ListenSock；將該描述符設定爲非阻塞模式，調用Listen（）函數在套接字上偵聽有無新的鏈接請求，在 epoll_event結構中設置要處理的事件類型EPOLLIN，工做方式爲 epoll_ET，以提升工做效率，同時使用epoll_ctl()註冊事件，最後啓動網絡監視線程。
(d) 網絡監視線程啓動循環，epoll_wait()等待epoll事件發生。
(e) 若是epoll事件代表有新的鏈接請求，則調用accept（）函數，將用戶socket描述符添加到epoll_data聯合體，同時設定該描述符爲非阻塞，並在epoll_event結構中設置要處理的事件類型爲讀和寫，工做方式爲epoll_ET.
(f) 若是epoll事件代表socket描述符上有數據可讀，則將該socket描述符加入可讀隊列，通知接收線程讀入數據，並將接收到的數據放入到接收數據的鏈表中，經邏輯處理後，將反饋的數據包放入到發送數據鏈表中，等待由發送線程發送。

 

1.不要採用一個鏈接一個線程的方式，而是儘可能利用操做系統的事件多路分離機制
如：UNIX下的 select  linux下的epoll BSD下的kqueue
或者使用這些機制的高層API （boost.asio&&ACE Reactor）
2.儘可能使用異步I／O，而不是同步
3.當事件多路分離單線程沒法知足併發需求時，將事件多路分離的線程擴展成線程池  

兩種方式的區別主要體如今如下幾個方面：

1. select所能控制的I/O數有限，這主要是由於fd_set數據結構是一個有大小的，至關與一個定長所數組。

2. select每次都須要從新設置所要監控的fd_set（由於調用以後會改變其內容），這增長了程序開銷。

3. select的性能要比epoll差，具體緣由會在後續內容中詳細說明。

嗯，說道這個爲何select要差，那就要從這個select API提及了。這個傳進去一個數組，內部實現也不知道那個有哪一個沒有，因此要遍歷一遍。假設說我只監控一個文件描述符，可是他是1000。那麼select須要遍歷前999個以後再來poll這個1000的文件描述符，而epoll則不須要，由於在以前epoll_ctl的調用過程當中，已經維護了一個隊列，因此直接等待事件到來就能夠了。

epoll跟select都能提供多路I/O複用的解決方案。在如今的Linux內核裏有都可以支持，其中epoll是Linux所特有，而select則應該是POSIX所規定，通常操做系統均有實現

select：

select本質上是經過設置或者檢查存放fd標誌位的數據結構來進行下一步處理。這樣所帶來的缺點是：

一、 單個進程可監視的fd數量被限制，即能監聽端口的大小有限。

      通常來講這個數目和系統內存關係很大，具體數目能夠cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.

二、 對socket進行掃描時是線性掃描，即採用輪詢的方法，效率較低：

       當套接字比較多的時候，每次select()都要經過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度,無論哪一個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費不少CPU時間。若是能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操做，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue作的。

三、須要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時複製開銷大

poll：

poll本質上和select沒有區別，它將用戶傳入的數組拷貝到內核空間，而後查詢每一個fd對應的設備狀態，若是設備就緒則在設備等待隊列中加入一項並繼續遍歷，若是遍歷完全部fd後沒有發現就緒設備，則掛起當前進程，直到設備就緒或者主動超時，被喚醒後它又要再次遍歷fd。這個過程經歷了屢次無謂的遍歷。

它沒有最大鏈接數的限制，緣由是它是基於鏈表來存儲的，可是一樣有一個缺點：

一、大量的fd的數組被總體複製於用戶態和內核地址空間之間，而無論這樣的複製是否是有意義。                                                                                                                                      二、poll還有一個特色是「水平觸發」，若是報告了fd後，沒有被處理，那麼下次poll時會再次報告該fd。

epoll:

epoll支持水平觸發和邊緣觸發，最大的特色在於邊緣觸發，它只告訴進程哪些fd剛剛變爲就需態，而且只會通知一次。還有一個特色是，epoll使用「事件」的就緒通知方式，經過epoll_ctl註冊fd，一旦該fd就緒，內核就會採用相似callback的回調機制來激活該fd，epoll_wait即可以收到通知

epoll的優勢：

一、沒有最大併發鏈接的限制，能打開的FD的上限遠大於1024（1G的內存上能監聽約10萬個端口）；
二、效率提高，不是輪詢的方式，不會隨着FD數目的增長效率降低。只有活躍可用的FD纔會調用callback函數；
      即Epoll最大的優勢就在於它只管你「活躍」的鏈接，而跟鏈接總數無關，所以在實際的網絡環境中，Epoll的效率就會遠遠高於select和poll。

三、 內存拷貝，利用mmap()文件映射內存加速與內核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減小複製開銷。

select、poll、epoll 區別總結：

一、支持一個進程所能打開的最大鏈接數

select	單個進程所能打開的最大鏈接數有FD_SETSIZE宏定義，其大小是32個整數的大小（在32位的機器上，大小就是32*32，同理64位機器上FD_SETSIZE爲32*64），固然咱們能夠對進行修改，而後從新編譯內核，可是性能可能會受到影響，這須要進一步的測試。
poll	poll本質上和select沒有區別，可是它沒有最大鏈接數的限制，緣由是它是基於鏈表來存儲的
epoll	雖然鏈接數有上限，可是很大，1G內存的機器上能夠打開10萬左右的鏈接，2G內存的機器能夠打開20萬左右的鏈接

二、FD劇增後帶來的IO效率問題

select	由於每次調用時都會對鏈接進行線性遍歷，因此隨着FD的增長會形成遍歷速度慢的「線性降低性能問題」。
poll	同上
epoll	由於epoll內核中實現是根據每一個fd上的callback函數來實現的，只有活躍的socket纔會主動調用callback，因此在活躍socket較少的狀況下，使用epoll沒有前面二者的線性降低的性能問題，可是全部socket都很活躍的狀況下，可能會有性能問題。

三、 消息傳遞方式

select	內核須要將消息傳遞到用戶空間，都須要內核拷貝動做
poll	同上
epoll	epoll經過內核和用戶空間共享一塊內存來實現的。

總結：

綜上，在選擇select，poll，epoll時要根據具體的使用場合以及這三種方式的自身特色。

一、表面上看epoll的性能最好，可是在鏈接數少而且鏈接都十分活躍的狀況下，select和poll的性能可能比epoll好，畢竟epoll的通知機制須要不少函數回調。

二、select低效是由於每次它都須要輪詢。但低效也是相對的，視狀況而定，也可經過良好的設計改善