I/O多路复用（select/poll/epoll）

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我是靠谱客的博主生动鲜花，最近开发中收集的这篇文章主要介绍I/O多路复用（select/poll/epoll），觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

简单介绍

这三种模式是为了在一个线程下面尽可能多的管理很多个socket。这三种模式在不同的需求下，有着各自的优势，select和poll差不多，但并不一定是说epoll是最好的。比如我们就写个简单的几个client连接下的情况，这个时候用select就很香，代码更少一点，如果是在真实的生产环境下，肯定是用epoll好。

select

select管理多个socket的fd（文件描述符，通过这个可以找到socket），在这期间select会监听所有的socket。如果没有一个socket有事件发生，这个线程会让出cpu的阻塞等待，即让该线程可以去做别的事情。如果使用普通的conncet()、accept()、recv()或recvfrom()这种函数，如果没有事件发生，就必须要阻塞，直到事件发生。

如果有事件发生，select会在他的睡眠队列里设置一个entry，当 socket 接收到网卡的数据后，就会去它的睡眠队列里遍历 entry，调用 entry 设置的 callback 方法，这个 callback 方法里就能唤醒 select !

select函数原型：

#include <sys/select.h>
struct timeval {
    time_t      tv_sec;         /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
};

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

参数介绍：

nfds：委托给内核处理的后面三个fd_set的最大值+1，也是遍历的时候的最大值。
readfds：传入内核处理文件描述符的读集合，内核只需要检测这些文件描述符的读缓冲区。
- 传入传出参数
writefds：传入内核处理文件描述符的读集合，内核只需要检测这些文件描述符的写缓冲区。
- 传入传出参数
exceptfds：文件描述符的集合，内核检测集合中文件描述符是否有异常状态
- 传入传出参数
timeout：设置超时的时间，可以强制操作select()函数的阻塞状态。
- NULL：没有事件就会一直阻塞。
- 秒数：等待时间。
- 0：不等待。

返回值：

-1：函数调用失败了
0：监听的所有的socket_fd里面没有发生事件的socket_fd。
>0：返回已经就绪的socket_fd。

与fd_set配合的操作函数：

// 将文件描述符fd从set中删除，即把set中fd对应的标志位置0
void FD_CLR(int fd, fd_set* set);
// 将文件描述符fd添加到set中，即把set中fd对应的标志位置1
void FD_SET(int fd, fd_set* set);
// 判断文件描述符fd是否在set中，即判断文件描述符fd在set中的标志位是否为1
void FD_ISSET(int fd, fd_set* set);
// 清空set，即全部置0，用于初始化set
void FD_ZERO(fd_set* set);

注：fd_set 是一个128个字节的数组（位图Bitmap），128*8=1024 bit，在操作fd_set的时候，实际上操作的是每一位bit，置0还是置1，与内核中的文件描述符表的每一位都对应。

0代表不检测这个文件描述符的状态（读缓冲区，写缓冲区等）
1代表检测这个文件描述符的状态（读缓冲区，写缓冲区等）

从这里可以看出select的缺点：

具有O(n)的无差别轮询复杂度，需要一直遍历1024位fd_set的各个位的状态
每次select都需要将fd_set拷贝到内核空间，开销比较大
需要轮询fd_set，消耗时间多
能够检测的最大文件描述符是1024个，这个在内核写死了

poll

相对于【select】，它不使用【Bitmap】来保存已经连接的文件描述符，使用的是链表来管理，没有了1024的限制，当然还会受到系统文件描述符限制。

poll的函数原型：

#include <poll.h>
// 每个委托poll检测的fd都对应这样一个结构体
struct pollfd {
    int   fd;         /* 委托内核检测的文件描述符 */
    short events;     /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
    short revents;    /* 文件描述符实际发生的事件 -> 传出 */
};

struct pollfd myfd[100];
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

函数参数介绍：

fds: 这是一个 struct pollfd 类型的数组，里边存储了待检测的文件描述符的信息，这个数组中有三个成员：
- fd：委托内核检测的文件描述符
- events：委托内核检测的 fd 事件（输入、输出、错误），每一个事件有多个取值
- revents：这是一个传出参数，数据由内核写入，存储内核检测之后的结果
  - 读事件：POLLIN
  - 写事件：POLLOUT
  - 错误事件：POLLERR
nfds: 这是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1（也可以指定参数 1 数组的元素总个数）
timeout: 指定 poll 函数的阻塞时长
- -1：一直阻塞，直到检测的集合中有就绪的文件描述符（有事件产生）解除阻塞
- 0：不阻塞，不管检测集合中有没有已就绪的文件描述符，函数马上返回
- 大于 0：阻塞指定的毫秒（ms）数之后，解除阻塞

函数返回值：

失败：返回 - 1
成功：返回一个大于 0 的整数，表示检测的集合中已就绪的文件描述符的总个数

操作函数：

只需要poll函数：revent中包含了这个文件描述符的事件

从上面可以总结出poll的特点：

对比select，使用起来更加方便（将相关的文件描述符封装到了pollfd中），但是不能跨平台，只能在Linux平台
- events参数对应select中的readfds、writefds、exceptfds的传入状态
- revents参数对应select中的readfds、writefds、exceptfds的传出状态
与select相差不大，需要的时间复杂度一样

epoll

epoll的操作函数：

#include <sys/epoll.h>
// 创建epoll实例，通过一棵红黑树管理待检测集合
int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);//flag可以是::EPOLL_CLOEXEC
// 管理红黑树上的文件描述符(添加、修改、删除)
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// 检测epoll树中是否有就绪的文件描述符
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

在select/poll中低效的原因之一是它们将“添加/修改任务列表”与“等待任务列表”放在一起处理。在大部分情况下，需要监听的socket比较确定，这个时候检测去任务列表是多余的。epoll将两个步骤分开，epoll_ctl用来管理任务列表，并且使用的是红黑树结构，这种结构有利于增加、删除或修改，然后用epoll_wait检测任务列表（文件描述符）是否有事件发生，这样实现了解耦，效率大大提高。

epoll_create(int size):

参数：一般指定为大于0的数就可以
返回值：
- 失败：-1，创建错误
- 成功：一个文件描述符，通过这个就可以访问epoll实例
用法：int epfd = epoll_create(100);

epoll_create1(int flags):

参数：flags 可以设置为0 或者EPOLL_CLOEXEC，为0时函数表现与epoll_create一致，设置为EPOLL_CLOEXEC标志与open 时的O_CLOEXEC 标志类似，即进程被替换时会关闭文件描述符。
返回值：与epoll_create类似

epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event):

参数：
- epfd是epoll_crate的返回值，操作epoll实例
- op是一个枚举值，控制函数执行什么类型的操作
  - EPOLL_CTL_ADD：添加一个fd
  - EPOLL_CTL_DEL：删除一个fd
  - EPOLL_CTL_MOD：修改一个fd
- fd是文件描述符，即要添加 / 修改 / 删除的文件描述符
- event是epoll 事件，用来修饰第三个参数对应的文件描述符的，指定检测这个文件描述符的什么事件
  - events：委托 epoll 检测的事件
    - EPOLLIN：读事件，接收数据，检测读缓冲区，如果有数据该文件描述符就绪
    - EPOLLOUT：写事件，发送数据，检测写缓冲区，如果可写该文件描述符就绪
    - EPOLLERR：异常事件
  - data：用户数据变量，这是一个联合体类型，通常情况下使用里边的 fd 成员，用于存储待检测的文件描述符的值，在调用 epoll_wait() 函数的时候这个值会被传出。

看一下epoll_ctl的epoll_event结构体：

// 联合体, 多个变量共用同一块内存        
typedef union epoll_data {
 	void        *ptr;
	int          fd;	// 通常情况下使用这个成员, 和epoll_ctl的第三个参数相同即可
	uint32_t     u32;
	uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
	uint32_t     events;      /* Epoll events */
	epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

函数参数：
- epfd：epoll_create () 函数的返回值，通过这个参数找到 epoll 实例
- events：传出参数，这是一个结构体数组的地址，里边存储了已就绪的文件描述符的信息
- maxevents：修饰第二个参数，结构体数组的容量（元素个数）
- timeout：如果检测的 epoll 实例中没有已就绪的文件描述符，该函数阻塞的时长，单位 ms 毫秒
  - 0：函数不阻塞，不管 epoll 实例中有没有就绪的文件描述符，函数被调用后都直接返回
  - 大于 0：如果 epoll 实例中没有已就绪的文件描述符，函数阻塞对应的毫秒数再返回
  - -1：函数一直阻塞，直到 epoll 实例中有已就绪的文件描述符之后才解除阻塞
函数返回值：
- 成功：
  - 等于 0：函数是阻塞被强制解除了，没有检测到满足条件的文件描述符
  - 大于 0：检测到的已就绪的文件描述符的总个数
- 失败：返回 - 1

epoll的两种模式 LT 和 ET

二者的差异在于 level-trigger 模式下只要某个socket处于 readable/writable 状态，无论什么时候进行 epoll_wait 都会返回该 socket；而 edge-trigger 模式下只有某个 socket 从 unreadable 变为 readable 或从unwritable 变为 writable 时，epoll_wait 才会返回该 socket。

所以, 在epoll的ET模式下, 正确的读写方式为:

读: 只要可读, 就一直读, 直到返回0, 或者 errno = EAGAIN

写: 只要可写, 就一直写, 直到数据发送完, 或者 errno = EAGAIN

Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Epoll

Man手册：epoll(7) - Linux manual page

Epoll详细解释系列：
如果这篇文章说不清epoll的本质，那就过来掐死我吧！（1） - 知乎

如果这篇文章说不清epoll的本质，那就过来掐死我吧！（2） - 知乎

IO多路转接（复用）之epoll | 爱编程的大丙

最后

以上就是生动鲜花为你收集整理的I/O多路复用（select/poll/epoll）的全部内容，希望文章能够帮你解决I/O多路复用（select/poll/epoll）所遇到的程序开发问题。

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本文分类：Linux
浏览次数：101 次浏览
发布日期：2023-05-24 04:24:01
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I/O多路复用（select/poll/epoll）

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poll

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