select 和 epoll的編程實現區別

原文： http://www.cppblog.com/feixuwu/archive/2010/07/10/119995.html

最近有朋友在面試的時候被問了select 和epoll效率差的緣由，和通常人同樣，大部分都會回答select是輪詢、epoll是觸發式的，因此效率高。這個答案聽上去很完美，大體也說出了兩者的主要區別。

今天閒來無事，翻看了下內核代碼，結合內核代碼和你們分享下個人觀點。

1、鏈接數

我本人也曾經在項目中用過select和epoll,對於select，感觸最深的是linux下select最大數目限制(windows 下彷佛沒有限制)，每一個進程的select最多能處理FD_SETSIZE個FD(文件句柄)，

若是要處理超過1024個句柄，只能採用多進程了。

常見的使用slect的多進程模型是這樣的： 一個進程專門accept，成功後將fd經過unix socket傳遞給子進程處理，父進程能夠根據子進程負載分派。曾經用過1個父進程+4個子進程 承載了超過4000個的負載。

這種模型在咱們當時的業務運行的很是好。epoll在鏈接數方面沒有限制，固然可能須要用戶調用API重現設置進程的資源限制。

2、IO差異

一、select的實現

這段能夠結合linux內核代碼描述了，我使用的是2.6.28，其餘2.6的代碼應該差很少吧。

先看看select:

select系統調用的代碼在fs/Select.c下，

asmlinkage long sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
            fd_set __user *exp, struct timeval __user *tvp)
{
    struct timespec end_time, *to = NULL;
    struct timeval tv;
    int ret;

    if (tvp) {
        if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv)))
            return -EFAULT;

        to = &end_time;
        if (poll_select_set_timeout(to,
                tv.tv_sec + (tv.tv_usec / USEC_PER_SEC),
                (tv.tv_usec % USEC_PER_SEC) * NSEC_PER_USEC))
            return -EINVAL;
    }

    ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);
    ret = poll_select_copy_remaining(&end_time, tvp, 1, ret);

    return ret;
}

前面是從用戶控件拷貝各個fd_set到內核空間，接下來的具體工做在core_sys_select中，

core_sys_select->do_select,真正的核心內容在do_select裏：
int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
{
    ktime_t expire, *to = NULL;
    struct poll_wqueues table;
    poll_table *wait;
    int retval, i, timed_out = 0;
    unsigned long slack = 0;

    rcu_read_lock();
    retval = max_select_fd(n, fds);
    rcu_read_unlock();

    if (retval < 0)
        return retval;
    n = retval;

    poll_initwait(&table);
    wait = &table.pt;
    if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
        wait = NULL;
        timed_out = 1;
    }

    if (end_time && !timed_out)
        slack = estimate_accuracy(end_time);

    retval = 0;
    for (;;) {
        unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;

        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

        inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
        rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;

        for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
            unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;
            unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;
            const struct file_operations *f_op = NULL;
            struct file *file = NULL;

            in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
            all_bits = in | out | ex;
            if (all_bits == 0) {
                i += __NFDBITS;
                continue;
            }

            for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {
                int fput_needed;
                if (i >= n)
                    break;
                if (!(bit & all_bits))
                    continue;
                file = fget_light(i, &fput_needed);
                if (file) {
                    f_op = file->f_op;
                    mask = DEFAULT_POLLMASK;
                    if (f_op && f_op->poll)
                        mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);
                    fput_light(file, fput_needed);
                    if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
                        res_in |= bit;
                        retval++;
                    }
                    if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
                        res_out |= bit;
                        retval++;
                    }
                    if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
                        res_ex |= bit;
                        retval++;
                    }
                }
            }
            if (res_in)
                *rinp = res_in;
            if (res_out)
                *routp = res_out;
            if (res_ex)
                *rexp = res_ex;
            cond_resched();
        }
        wait = NULL;
        if (retval || timed_out || signal_pending(current))
            break;
        if (table.error) {
            retval = table.error;
            break;
        }

        /*
         * If this is the first loop and we have a timeout
         * given, then we convert to ktime_t and set the to
         * pointer to the expiry value.
         */
        if (end_time && !to) {
            expire = timespec_to_ktime(*end_time);
            to = &expire;
        }

        if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS))
            timed_out = 1;
    }
    __set_current_state(TASK_RUNNING);

    poll_freewait(&table);

    return retval;
}

上面的代碼不少，其實真正關鍵的代碼是這一句:

mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);

這個是調用文件系統的 poll函數，不一樣的文件系統poll函數天然不一樣，因爲咱們這裏關注的是tcp鏈接，而socketfs的註冊在 net/Socket.c裏。

register_filesystem(&sock_fs_type); 

socket文件系統的函數也是在net/Socket.c裏：

static const struct file_operations socket_file_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .llseek = no_llseek,
    .aio_read = sock_aio_read,
    .aio_write = sock_aio_write,
    .poll = sock_poll,
    .unlocked_ioctl = sock_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
    .compat_ioctl = compat_sock_ioctl,
#endif
    .mmap = sock_mmap,
    .open = sock_no_open, /* special open code to disallow open via /proc */
    .release = sock_close,
    .fasync = sock_fasync,
    .sendpage = sock_sendpage,
    .splice_write = generic_splice_sendpage,
    .splice_read = sock_splice_read,
};

從sock_poll跟隨下去，

最後能夠到 net/ipv4/tcp.c的

unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait) 

這個是最終的查詢函數，

也就是說select 的核心功能是調用tcp文件系統的poll函數，不停的查詢，若是沒有想要的數據，主動執行一次調度（防止一直佔用cpu），直到有一個鏈接有想要的消息爲止。

從這裏能夠看出select的執行方式基本就是不一樣的調用poll,直到有須要的消息爲止，若是select 處理的socket不少，這其實對整個機器的性能也是一個消耗。

二、epoll的實現

epoll的實現代碼在 fs/EventPoll.c下，

因爲epoll涉及到幾個系統調用，這裏不逐個分析了，僅僅分析幾個關鍵點，

第一個關鍵點在

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,

             struct file *tfile, int fd) 

這是在咱們調用sys_epoll_ctl 添加一個被管理socket的時候調用的函數，關鍵的幾行以下：

epq.epi = epi;

    init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);

    /*

     * Attach the item to the poll hooks and get current event bits.

     * We can safely use the file* here because its usage count has

     * been increased by the caller of this function. Note that after

     * this operation completes, the poll callback can start hitting

     * the new item.

     */

    revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt); 

這裏也是調用文件系統的poll函數，不過此次初始化了一個結構，這個結構會帶有一個poll函數的callback函數：ep_ptable_queue_proc，

在調用poll函數的時候，會執行這個callback，這個callback的功能就是將當前進程添加到 socket的等待進程上。

static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,
                 poll_table *pt)
{
    struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
    struct eppoll_entry *pwq;

    if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
        init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
        pwq->whead = whead;
        pwq->base = epi;
        add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
        list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
        epi->nwait++;
    } else {
        /* We have to signal that an error occurred */
        epi->nwait = -1;
    }
}

注意到參數 whead 其實是 sk->sleep，其實就是將當前進程添加到sk的等待隊列裏，當該socket收到數據或者其餘事件觸發時，會調用

sock_def_readable 或者sock_def_write_space 通知函數來喚醒等待進程，這2個函數都是在socket建立的時候填充在sk結構裏的。

從前面的分析來看，epoll確實是比select聰明的多、輕鬆的多，不用再苦哈哈的去輪詢了。