select,poll,epoll

先說個故事

鬼子進村

處理大量的鏈接的讀寫，select 是夠低效的。由於 kernel 每次都要對 select 傳入的一組 socket 號作輪詢，這叫鬼子進村策略。一遍遍的詢問「鬼子進村了嗎？」，「鬼子進村了嗎？」... 大量的 cpu 時間都耗了進去。（更過度的是在 windows 上，還有個萬惡的 64 限制。）使用 kqueue 這些，變成了派一些我的去站崗，鬼子來了就能夠拿到通知，效率天然高了許多。

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緩存I/O

緩存I/O又稱爲標準I/O，大多數文件系統的默認I/O操做都是緩存I/O。在Linux的緩存I/O機制中，操做系統會將I/O的數據緩存在文件系統的頁緩存中，即數據會先被拷貝到操做系統內核的緩衝區中，而後纔會從操做系統內核的緩衝區拷貝到應用程序的地址空間。

 

五種IO模型 

阻塞式I/O模型：默認狀況下，全部套接字都是阻塞的。recvfrom等待數據準備好，從內核向進程複製數據。

非阻塞式I/O： 進程把一個套接字設置成非阻塞是在通知內核，當所請求的I/O操做非得把本進程投入睡眠才能完成時，不要把進程投入睡眠，而是返回一個錯誤，recvfrom老是當即返回。

I/O多路複用：雖然I/O多路複用的函數也是阻塞的，可是其與以上兩種仍是有不一樣的，I/O多路複用是阻塞在select，epoll這樣的系統調用之上，而沒有阻塞在真正的I/O系統調用如recvfrom之上。其本質是經過一種機制（系統內核緩衝I/O數據），讓單個進程能夠監視多個文件描述符，一旦某個描述符就緒（通常是讀就緒或寫就緒），可以通知程序進行相應的讀寫操做。select、poll 和 epoll 都是 Linux API 提供的 IO 複用方式。

信號驅動式I/O：用的不多，就不作講解了。

異步I/O：這類函數的工做機制是告知內核啓動某個操做，並讓內核在整個操做（包括將數據從內核拷貝到用戶空間）完成後通知咱們。

recvfrom函數(經socket接收數據)。

 

再看POSIX對這兩個術語的定義：

• 同步I/O操做：致使請求進程阻塞，直到I/O操做完成；

• 異步I/O操做：不致使請求進程阻塞。

 

select運行機制

select()的機制中提供一種fd_set的數據結構，其實是一個long類型的數組，每個數組元素都能與一打開的文件句柄（不論是Socket句柄,仍是其餘文件或命名管道或設備句柄）創建聯繫，創建聯繫的工做由程序員完成，當調用select()時，由內核根據IO狀態修改fd_set的內容，由此來通知執行了select()的進程哪一Socket或文件可讀。

從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操做，效率更差。可是，使用select之後最大的優點是用戶能夠在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。用戶能夠註冊多個socket，而後不斷地調用select讀取被激活的socket，便可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須經過多線程的方式才能達到這個目的。

poll運行機制

poll的機制與select相似，與select在本質上沒有多大差異，管理多個描述符也是進行輪詢，根據描述符的狀態進行處理，可是poll沒有最大文件描述符數量的限制。

 

epoll運行機制

epoll在Linux2.6內核正式提出，是基於事件驅動的I/O方式，相對於select來講，epoll沒有描述符個數限制，使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關心的文件描述符的事件存放到內核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內核空間的copy只需一次。

epoll是Linux內核爲處理大批量文件描述符而做了改進的poll，是Linux下多路複用IO接口select/poll的加強版本，它能顯著提升程序在大量併發鏈接中只有少許活躍的狀況下的系統CPU利用率。緣由就是獲取事件的時候，它無須遍歷整個被偵聽的描述符集，只要遍歷那些被內核IO事件異步喚醒而加入Ready隊列的描述符集合就好了。

epoll除了提供select/poll那種IO事件的水平觸發（Level Triggered）外，還提供了邊緣觸發（Edge Triggered），這就使得用戶空間程序有可能緩存IO狀態，減小epoll_wait/epoll_pwait的調用，提升應用程序效率。

• 水平觸發（LT）：默認工做模式，即當epoll_wait檢測到某描述符事件就緒並通知應用程序時，應用程序能夠不當即處理該事件；下次調用epoll_wait時，會再次通知此事件
• 邊緣觸發（ET）： 當epoll_wait檢測到某描述符事件就緒並通知應用程序時，應用程序必須當即處理該事件。若是不處理，下次調用epoll_wait時，不會再次通知此事件。（直到你作了某些操做致使該描述符變成未就緒狀態了，也就是說邊緣觸發只在狀態由未就緒變爲就緒時只通知一次）。

LT和ET本來應該是用於脈衝信號的，可能用它來解釋更加形象。Level和Edge指的就是觸發點，Level爲只要處於水平，那麼就一直觸發，而Edge則爲上升沿和降低沿的時候觸發。好比：0->1 就是Edge，1->1 就是Level。

ET模式很大程度上減小了epoll事件的觸發次數，所以效率比LT模式下高。

 

總結

一張圖總結一下select,poll,epoll的區別：

	select	poll	epoll
操做方式	遍歷	遍歷	回調
底層實現	數組	鏈表	哈希表
IO效率	每次調用都進行線性遍歷，時間複雜度爲O(n)	每次調用都進行線性遍歷，時間複雜度爲O(n)	事件通知方式，每當fd就緒，系統註冊的回調函數就會被調用，將就緒fd放到readyList裏面，時間複雜度O(1)
最大鏈接數	1024（x86）或2048（x64）	無上限	無上限
fd拷貝	每次調用select，都須要把fd集合從用戶態拷貝到內核態	每次調用poll，都須要把fd集合從用戶態拷貝到內核態	調用epoll_ctl時拷貝進內核並保存，以後每次epoll_wait不拷貝

 

epoll是Linux目前大規模網絡併發程序開發的首選模型。在絕大多數狀況下性能遠超select和poll。目前流行的高性能web服務器Nginx正式依賴於epoll提供的高效網絡套接字輪詢服務。可是，在併發鏈接不高的狀況下，多線程+阻塞I/O方式可能性能更好。

既然select，poll，epoll都是I/O多路複用的具體的實現，之因此如今同時存在，其實他們也是不一樣歷史時期的產物

• select出現是1984年在BSD裏面實現的
• 14年以後也就是1997年才實現了poll，其實拖那麼久也不是效率問題， 而是那個時代的硬件實在太弱，一臺服務器處理1千多個連接簡直就是神同樣的存在了，select很長段時間已經知足需求
• 2002, 大神 Davide Libenzi 實現了epoll

 參考：

個人網絡開發之旅——socket編程

https://blog.csdn.net/dapengbusi/article/details/50690690

IO多路複用的三種機制Select，Poll，Epoll

IOCP , kqueue , epoll ... 有多重要？