聊聊IO多路復用之select、poll、epoll詳解

2016/04/22 ·?IT技術?·?1 評論?·?epoll,?IO多路復用,?poll,?select

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IO多路復用是指內核一旦發現進程指定的一個或者多個IO條件準備讀取，它就通知該進程。IO多路復用適用如下場合：

當客戶處理多個描述符時（一般是交互式輸入和網絡套接口），必須使用I/O復用。

當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種情況是可能的，但很少出現。

如果一個TCP服務器既要處理監聽套接口，又要處理已連接套接口，一般也要用到I/O復用。

如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O復用。

如果一個服務器要處理多個服務或多個協議，一般要使用I/O復用。

與多進程和多線程技術相比，I/O多路復用技術的最大優勢是系統開銷小，系統不必創建進程/線程，也不必維護這些進程/線程，從而大大減小了系統的開銷。

目前支持I/O多路復用的系統調用有?select，pselect，poll，epoll，I/O多路復用就是通過一種機制，一個進程可以監視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程序進行相應的讀寫操作。但select，pselect，poll，epoll本質上都是同步I/O，因為他們都需要在讀寫事件就緒后自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的，而異步I/O則無需自己負責進行讀寫，異步I/O的實現會負責把數據從內核拷貝到用戶空間。

對于IO多路復用機制不理解的同學，可以先行參考《聊聊 Linux 中的五種 IO 模型》，來了解Linux五種IO模型。

1 select、poll、epoll簡介

epoll跟select都能提供多路I/O復用的解決方案。在現在的Linux內核里有都能夠支持，其中epoll是Linux所特有，而select則應該是POSIX所規定，一般操作系統均有實現。

1.1 select

基本原理：

select 函數監視的文件描述符分3類，分別是writefds、readfds、和exceptfds。調用后select函數會阻塞，直到有描述符就緒（有數據 可讀、可寫、或者有except），或者超時（timeout指定等待時間，如果立即返回設為null即可），函數返回。當select函數返回后，可以通過遍歷fdset，來找到就緒的描述符。

基本流程，如圖所示：

select目前幾乎在所有的平臺上支持，其良好跨平臺支持也是它的一個優點。select的一個缺點在于單個進程能夠監視的文件描述符的數量存在最大限制，在Linux上一般為1024，可以通過修改宏定義甚至重新編譯內核的方式提升這一限制，但是這樣也會造成效率的降低。

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

select最大的缺陷就是單個進程所打開的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE設置，默認值是1024。
一般來說這個數目和系統內存關系很大，具體數目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.

對socket進行掃描時是線性掃描，即采用輪詢的方法，效率較低。
當套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度，不管哪個Socket是活躍的，都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字注冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。

需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復制開銷大。

1.2 poll

基本原理：

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，然后查詢每個fd對應的設備狀態，如果設備就緒則在設備等待隊列中加入一項并繼續遍歷，如果遍歷完所有fd后沒有發現就緒設備，則掛起當前進程，直到設備就緒或者主動超時，被喚醒后它又要再次遍歷fd。這個過程經歷了多次無謂的遍歷。

它沒有最大連接數的限制，原因是它是基于鏈表來存儲的，但是同樣有一個缺點：

大量的fd的數組被整體復制于用戶態和內核地址空間之間，而不管這樣的復制是不是有意義。

poll還有一個特點是“水平觸發”，如果報告了fd后，沒有被處理，那么下次poll時會再次報告該fd。

注意：

從上面看，select和poll都需要在返回后，通過遍歷文件描述符來獲取已經就緒的socket。事實上，同時連接的大量客戶端在一時刻可能只有很少的處于就緒狀態，因此隨著監視的描述符數量的增長，其效率也會線性下降。

1.3 epoll

epoll是在2.6內核中提出的，是之前的select和poll的增強版本。相對于select和poll來說，epoll更加靈活，沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關系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。

基本原理：

epoll支持水平觸發和邊緣觸發，最大的特點在于邊緣觸發，它只告訴進程哪些fd剛剛變為就緒態，并且只會通知一次。還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll_ctl注冊fd，一旦該fd就緒，內核就會采用類似callback的回調機制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。

epoll的優點：

沒有最大并發連接的限制，能打開的FD的上限遠大于1024（1G的內存上能監聽約10萬個端口）。

效率提升，不是輪詢的方式，不會隨著FD數目的增加效率下降。只有活躍可用的FD才會調用callback函數；即Epoll最大的優點就在于它只管你“活躍”的連接，而跟連接總數無關，因此在實際的網絡環境中，Epoll的效率就會遠遠高于select和poll。

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減少復制開銷。

epoll對文件描述符的操作有兩種模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默認模式，LT模式與ET模式的區別如下：

LT模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程序，應用程序可以不立即處理該事件。下次調用epoll_wait時，會再次響應應用程序并通知此事件。

ET模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程序，應用程序必須立即處理該事件。如果不處理，下次調用epoll_wait時，不會再次響應應用程序并通知此事件。

LT模式
LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同時支持block和no-block socket。在這種做法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，然后你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，內核還是會繼續通知你的。

ET模式
ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變為就緒時，內核通過epoll告訴你。然后它會假設你知道文件描述符已經就緒，并且不會再為那個文件描述符發送更多的就緒通知，直到你做了某些操作導致那個文件描述符不再為就緒狀態了(比如，你在發送，接收或者接收請求，或者發送接收的數據少于一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤）。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒)，內核不會發送更多的通知(only once)。ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發的次數，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時候，必須使用非阻塞套接口，以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。

在select/poll中，進程只有在調用一定的方法后，內核才對所有監視的文件描述符進行掃描，而epoll事先通過epoll_ctl()來注冊一個文件描述符，一旦基于某個文件描述符就緒時，內核會采用類似callback的回調機制，迅速激活這個文件描述符，當進程調用epoll_wait()時便得到通知。(此處去掉了遍歷文件描述符，而是通過監聽回調的的機制。這正是epoll的魅力所在。)

注意：
如果沒有大量的idle-connection或者dead-connection，epoll的效率并不會比select/poll高很多，但是當遇到大量的idle-connection，就會發現epoll的效率大大高于select/poll。

2 select、poll、epoll區別

支持一個進程所能打開的最大連接數

FD劇增后帶來的IO效率問題

消息傳遞方式

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點：

表面上看epoll的性能最好，但是在連接數少并且連接都十分活躍的情況下，select和poll的性能可能比epoll好，畢竟epoll的通知機制需要很多函數回調。

select低效是因為每次它都需要輪詢。但低效也是相對的，視情況而定，也可通過良好的設計改善。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的聊聊IO多路复用之select、poll、epoll详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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