IO多路複用與epoll機制淺析

epoll是Linux中用於IO多路複用的機制，在nginx和redis等軟件中都有應用，redis的性能好的緣由之一也就是使用了epoll進行IO多路複用，同時epoll也是各大公司面試的熱點問題。

IO多路複用

IO多路複用是一種同步IO模型，使得一個線程就能夠對多個文件描述符進行監聽。當有文件描述符準備就緒時，函數就會返回，從而通知應用進行相應的處理；當沒有描述符就緒時，函數就會阻塞。

IO多路複用對於網絡應用來講是很是重要的，在沒有IO多路複用時，應用通常經過同步阻塞（每一個socket鏈接創建一個新線程，這將十分耗費系統性能）或者同步非阻塞（對全部socket進行反覆遍歷，當沒有就緒描述符時就會作無用功）來實現，而這些方法的性能都不太好。

在Linux中，IO多路複用主要有三種方法select、poll和epoll。

select

int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select是經過傳遞文件描述符數組fd_set*來實現的。當沒有描述符準備就緒時，函數就會阻塞；當有一個或多個文件描述符準備就緒時就會返回，以後經過遍歷數組找到準備就緒的描述符進行處理。select函數通常在全部操做系統中都會實現，所以具備良好的可移植性。

fd_set的大小是固定的，在Linux中通常爲1024，本質是一個bitmap，經過FD_SET將描述符加入fd_set，經過對全部文件描述符依次調用FD_ISSET來判斷是否準備就緒。

所以，select就有着如下的缺點：

• select的文件描述符最大隻能支持1024個
• select須要經過遍從來判斷是否準備就緒，所以時間複雜度爲O(n)
• 當監聽文件描述符數量增長時，性能會明顯降低
• select內核態中經過輪詢來判斷文件描述符是否就緒
• select每次調用都須要將fd_set從用戶地址空間拷貝到內核地址空間中，函數返回時又要拷貝回來

poll

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
struct pollfd {
    int fd;               // 文件描述符
    short events;         // 等待的事件
    short revents;        // 發生的事件
};

poll對select的主要改進就是沒有了描述符數組的大小限制，沒有最大鏈接數的限制。可是poll仍然須要進行遍歷才能知道哪些文件描述符準備就緒，所以，select的缺點poll也有。

epoll

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使用了三個系統調用來實現，epoll_create建立一個句柄，epoll_ctl向句柄中添加、刪除或修改文件描述符，epoll_wait對句柄進行監聽，當有文件描述符準備就緒後，就會經過events參數返回。返回的參數中僅包含準備就緒的文件描述符，也就是說再也不須要經過遍從來進行判斷。epoll經過回調機制來快速將文件描述符加入就緒鏈表，避免輪詢；同時epoll內部使用紅黑樹來保存全部監聽的文件描述符。

epoll有着如下的優勢：

• 沒有最大文件描述符數量限制
• 使用mmap，避免了每次wait都要將數組進行拷貝
• 直接返回就緒的文件描述符，避免了遍歷，時間複雜度爲O(k)，k爲就緒文件描述符
• 使用回調機制，當文件描述符就緒時會觸發回調函數，將描述符加入到就緒鏈表，避免輪詢
• 監聽的文件描述符數量對性能影響不大

可是epoll也不是必定比select和poll好，當就緒的文件描述符不少時，即O(k)中的k接近n時，二者性能就比較接近了；當文件描述符數量較少時，二者性能也差很少；epoll的回調函數註冊也會帶來必定的性能開銷。

觸發方式

epoll有兩種觸發方式，水平觸發（LT, level-triggered）和邊緣觸發（ET, edge-triggered）。經過一個例子來理解兩種方式：

當描述符a中到達2kb數據，調用epoll_wait會返回a，以後從描述符中讀取1kb數據，此時該描述符中仍有1kb數據，仍爲就緒狀態；第二次調用epoll_wait時，若是是LT，那麼返回的描述符中仍包含a，若是爲ET，那麼就不包含a。

即ET只會在狀態發生改變時觸發，只返回一次，相似於上升沿觸發；而LT只要處於就緒狀態就會一直返回，相似於電平觸發。

理論上ET的性能會比LT要好，可是ET要保證每次都要把數據所有處理完成，而LT使用起來就更加方便，不易出現bug。在實際當中兩種的性能區別能夠忽略，redis使用的就是LT方式。