IO多路複用（一）-- Select、Poll、Epoll

在上一篇博文中提到了五種IO模型，關於這五種IO模型能夠參考博文IO模型淺析-阻塞、非阻塞、IO複用、信號驅動、異步IO、同步IO，本篇主要介紹IO多路複用的使用和編程。

IO多路複用的概念

多路複用是一種機制，能夠用來監聽多種描述符，若是其中任意一個描述符處於就緒的狀態，就會返回消息給對應的進程通知其採起下一步的操做。

IO多路複用的優點

當進程須要等待多個描述符的時候，一般狀況下進程會開啓多個線程，每一個線程等待一個描述符就緒，可是多路複用能夠同時監聽多個描述符，進程中無需開啓線程，減小系統開銷，在這種狀況下多路複用的性能要比使用多線程的性能要好不少。

相關API介紹

在linux中，關於多路複用的使用，有三種不一樣的API，select、poll和epoll

Select介紹

select的使用須要引入sys/select.h頭文件，API函數比較簡單，函數原型以下：

int select (int __nfds, fd_set *__restrict __readfds,
           fd_set *__restrict __writefds,
           fd_set *__restrict __exceptfds,
           struct timeval *__restrict __timeout);

fd_set

其中有一個很重要的結構體fd_set，該結構體能夠看做是一個描述符的集合，能夠將fa_set看做是一個位圖，相似於操做系統中的位圖，其中每一個整數的每一bit表明一個描述符，。

舉個簡單的例子，fd_set中元素的個數爲2，初始化都爲0，則fd_set中含有兩個整數0，假設一個整數的長度8位（爲了好舉例子），則展開fd_set的結構就是 00000000 0000000，若是這個時候添加一個描述符爲3，則對應fd_set編程 00000000 00001000，能夠看到在這種狀況下，第一個整數標記描述符0~7，第二個整數標記8~15，依次類推。

fd_set有四個關聯的api

void FD_ZERO(fd_set *fdset) //清空fdset，將全部bit置爲0
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset) //將fd對應的bit置爲1
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset) //將fd對應的bit置爲0
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset) //判斷fd對應的bit是否爲1,也就是fd是否就緒

select函數中存在三個fd_set集合，分別表明三種事件，__readfds表示讀描述符集合，__writefds表示讀描述符集合，__exceptfds表示讀描述符集合，當對應的fd_set = NULL時，表示不監聽該類描述符。

__nfds

__nfds是fd_set中最大的描述符+1，當調用select的時候，內核態會判斷fd_set中描述符是否就緒，__nfds告訴內核最多判斷到哪個描述符。

timeval

struct timeval {
    long tv_sec;    //秒
    long tv_usec;    //微秒
}

參數__timeout指定select的工做方式：

• __timeout= NULL，表示select永遠等待下去，直到其中至少存在一個描述符就緒
• __timeout結構體中秒或者微妙是一個大於0的整數，表示select等待一段固定的事件，若該短期內未有描述符就緒則返回
• __timeout= 0，表示不等待，直接返回

函數返回

select函數返回產生事件的描述符的數量，若是爲-1表示產生錯誤

值得注意的是，好比用戶態要監聽描述符1和3的讀事件，則將readset對應bit置爲1，當調用select函數以後，若只有1描述符就緒，則readset對應bit爲1，可是描述符3對應的位置爲0，這就須要注意，每次調用select的時候，都須要從新初始化並賦值readset結構體，將須要監聽的描述符對應的bit置爲1，而不能直接使用readset，由於這個時候readset已經被內核改變了。

Poll介紹

select中，每一個fd_set結構體最多隻能標識1024個描述符，在poll中去掉了這種限制，使用poll須要引入頭文件sys/poll.h，poll調用的API以下：

int poll (struct pollfd *__fds, nfds_t __nfds, int __timeout);

pollfd

struct pollfd {
    int fd;                    // poll的文件描述符
    short int events;        // poll關心的事件類型
    short int revents;        // 發生的事件類型
  };

Poll使用結構體pollfd來指定一個須要監聽的描述符，結構體中fd爲須要監聽的文件描述符，events爲須要監聽的事件類型，而revents爲通過poll調用以後返回的事件類型，在調用poll的時候，通常會傳入一個pollfd的結構體數組，數組的元素個數表示監控的描述符個數，因此pollfd相對於select，沒有最大1024個描述符的限制。

事件類型有多種，在bits/poll.h中定義了多種事件類型，主要以下：

#define POLLIN        0x001        // 有數據可讀
#define POLLPRI        0x002        // 有緊迫數據可讀
#define POLLOUT        0x004        // 如今寫數據不會致使阻塞

# define POLLRDNORM    0x040        // 有普通數據可讀
# define POLLRDBAND    0x080        // 有優先數據可讀
# define POLLWRNORM    0x100        // 寫普通數據不會致使阻塞
# define POLLWRBAND    0x200        // 寫優先數據不會致使阻塞

#define POLLERR        0x008        // 發生錯誤
#define POLLHUP        0x010        // 掛起
#define POLLNVAL    0x020        // 無效文件描述符

當一個文件描述符要同時監聽讀寫事件時，能夠寫成 events = POLLIN | POLLOUT

能夠看到，poll中使用結構體保存一個文件描述符關心的事件，而在select中，統一使用fd_set，一個fd_set中能夠是全部須要監聽讀事件的文件描述符，也能夠是全部須要寫事件的文件描述符。

相比來講，poll比select更加的靈活，在調用poll以後，無需像select同樣須要從新對文件描述符初始化，由於poll返回的事件寫在了pollfd->revents成員中。

__fds

__fds的做用同select中的__nfds，表示pollfd數組中最大的下標索引

__timeout

• __timeout = -1：poll阻塞直到有事件產生
• __timeout = -0：poll馬上返回
• __timeout != -1 && __timeout != 0：poll阻塞__timeout對應的時候，若是超過該時間沒有事件產生則返回

函數返回

poll函數返回產生事件的描述符的數量，若是返回0表示超時，若是爲-1表示產生錯誤

Epoll介紹

epoll中，使用一個描述符來管理多個文件描述符，使用epoll須要引入頭文件sys/epoll.h，epoll相關的api函數以下：

int epoll_create (int __size);
int epoll_ctl (int __epfd, int __op, int __fd, struct epoll_event *__event);
int epoll_wait (int __epfd, struct epoll_event *__events, int __maxevents, int __timeout);

epoll_event

typedef union epoll_data {
  void *ptr;     // 能夠用改指針指向自定義的參數
  int fd;         // 能夠用改爲員指向epoll所監控的文件描述符
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
  uint32_t events;        // epoll事件
  epoll_data_t data;    // 用戶數據
} __EPOLL_PACKED;

epoll_event結構體中，首先是一個events的整型變量，相似於pollfd->events，表示要監控的事件，events支持的事件類型在sys/epoll.h的頭文件中，跟pollfd中的事件類型基本移植，以下，這裏只寫出一部分：

enum EPOLL_EVENTS {
    EPOLLIN = 0x001,
#define EPOLLIN EPOLLIN     // 有數據可讀
    EPOLLPRI = 0x002,
#define EPOLLPRI EPOLLPRI     // 有緊迫數據可讀
    EPOLLOUT = 0x004,
#define EPOLLOUT EPOLLOUT     // 如今寫數據不會致使阻塞
    EPOLLRDNORM = 0x040,
#define EPOLLRDNORM EPOLLRDNORM        // 有普通數據可讀
    EPOLLRDBAND = 0x080,
#define EPOLLRDBAND EPOLLRDBAND        // 有優先數據可讀
    EPOLLWRNORM = 0x100,
#define EPOLLWRNORM EPOLLWRNORM        // 寫普通數據不會致使阻塞
    EPOLLWRBAND = 0x200,
#define EPOLLWRBAND EPOLLWRBAND        // 寫優先數據不會致使阻塞
    ...
    EPOLLERR = 0x008,
#define EPOLLERR EPOLLERR    // 發生錯誤
    EPOLLHUP = 0x010,
#define EPOLLHUP EPOLLHUP    // 掛起
    EPOLLRDHUP = 0x2000,
       ...
  };

epoll_event中的data指向一個共用體結構，能夠用該共用體保存自定義的參數，或者指向被監控的文件描述符。

epoll_create

int epoll_create (int __size);

epoll_create函數建立一個epoll實例並返回，該實例能夠用於監控__size個文件描述符

epoll_ctl

int epoll_ctl (int __epfd, int __op, int __fd, struct epoll_event *__event);

該函數用來向epoll中註冊事件函數，其中__epfd爲epoll_create返回的epoll實例，__op表示要進行的操做，__fd爲要進行監控的文件描述符，__event要監控的事件。

__op可用的類型定義在sys/epoll.h頭文件中，以下：

#define EPOLL_CTL_ADD 1        // 添加文件描述符
#define EPOLL_CTL_DEL 2        // 刪除文件描述符
#define EPOLL_CTL_MOD 3        //    修改文件描述符（指的是epoll_ctl中傳入的__event）

該函數若是調用成功返回0，不然返回-1。

epoll_wait

int epoll_wait (int __epfd, struct epoll_event *__events, int __maxevents, int __timeout);

epoll_wait相似與select中的select函數、poll中的poll函數，等待內核返回監聽描述符的事件產生，其中__epfd是epoll_create建立的epoll實例，__events數組爲epoll_wait要返回的已經產生的事件集合，其中第i個元素成員的__events[i]->data->fd表示產生該事件的描述符，__maxevents爲但願返回的最大的事件數量（一般爲__events的大小），__timeout和poll中的__timeout相同。該函數返回已經就緒的事件的數量，若是爲-1表示出錯。

select、poll、epoll比較

select和poll的機制基本相同，只不過poll沒有select最大文件描述符的限制，在具體使用的時候，有以下缺點：

• 每次調用select或者poll，都須要將監聽的fd_set或者pollfd發送給內核態，若是須要監聽大量的文件描述符，這樣的效率是很低下的
• 在內核態中，每次須要對傳入的文件描述符進行輪詢，查詢是否有對應的事件產生。

epoll的高效在於將這些分開，首先epoll不是在每次調用epoll_wait的時候，將描述符傳送給內核，而是在epoll_ctl的時候傳送描述符給內核，當調用epoll_wait的收，不用每次都接收

不像select和poll使用一個單獨的API函數，在epoll中，使用epoll_create建立一個epoll實例，而後當調用epoll_ctl新增監聽描述符的時候，這個時候纔將用戶態的描述符發送到內核態，由於epoll_wait調用的頻率確定要比epoll_create的頻率要高，因此當epoll_wait的時候無需傳送任何描述符到用戶態；

關於第二點，在內核態中，使用一個描述符就緒的鏈表，當描述符就緒的時候，在內核態中會使用回調函數，該函數會將對應的描述符添加入就緒鏈表中，那麼當epoll_wait調用的時候，就不須要遍歷全部的描述符查看是否有就緒的事件，而是直接查看鏈表是否爲空。

總結

可使用一個生活中的場景來對三者的區別作個總結，仍然接着筆者的上一篇博文IO模型淺析-阻塞、非阻塞、IO複用、信號驅動、異步IO、同步IO中吃飯的例子：

在這個例子中，服務員和餐廳表明內核，客戶「你」就是用戶態進程，可能以爲這個例子寫的很差，在這裏寫下加深記憶。

select和poll：你去餐廳請客吃飯，你是個豪爽的人，點了不少菜，你告訴服務員對應種類的菜有多少上多少，服務員將菜名一一寫在紙上。而後你開始問服務員飯菜有好了麼，服務員看着你的菜單一大串，頭皮發麻，因而按着菜單的順序去廚房查看飯菜有沒有好，若是菜沒有好就劃掉菜單中對應的菜，終於找出了全部已經燒好的飯菜，服務員把飯菜端給了你。但是這個時候菜單上只能看到已經準備好的菜了，沒準備好的菜看不清了，你以爲這個服務員作事很傻逼，沒辦法將就點，誰讓你性格好呢，因而你從新寫了一份菜單（可能這個過程當中你又想點一些新的菜或者刪除一些菜）。接下來你又去問飯菜好沒好，服務員又開始按照菜單的順序去廚房查看飯菜有沒有好。。。（select和poll的主要區別就在於，select中的菜單是有限的，而poll中的菜單是無限的，你能夠點任意種類的菜）

epoll：你去餐廳請客吃飯，你是個豪爽的人，點了不少菜，你告訴服務員對應種類的菜有多少上多少，服務員將菜名一一錄入到餐廳後臺的菜單管理軟件中，廚房的師傅燒好一道菜在管理軟件中標記完成一下，而後在燒好的菜上掛上對應的桌號放在取菜區，這個時候你來問服務員飯菜有準備好的麼，服務員因而查一下管理軟件，有標記欸，因而從取菜區取出對應桌號的飯菜送給你，清空標記。過了段時間，你又想點一道新的菜，因而叫來服務員，服務員在菜單軟件中添加一欄。接下來你又去問飯菜好沒好，服務員又開始看菜單軟件中是否有標記完成的信息。。。

另外關於epoll的高效還有不少細節，例如使用mmap將用戶空間和內核空間的地址映射到同一塊物理內存地址，使用紅黑樹存儲要監聽的事件等等，具體的細節能夠參考博文select、poll、epoll之間的區別總結整理、高併發網絡編程之epoll詳解、Linux下的I/O複用與epoll詳解、完全學會使用epoll(一)——ET模式實現分析等幾篇文章。

接下來使用select、poll、epoll實現一個TCP反射程序

參考資料

UNIX網絡變成卷1：套接字聯網API

select、poll、epoll之間的區別總結整理

高併發網絡編程之epoll詳解

Linux下的I/O複用與epoll詳解

做者： yearsj

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