IO 多路复用之 (select/poll/epoll)一、常见的IO模型二、IO多路复用简介三、select、poll、epoll简介四、select、poll、epoll区别五、五种IO模型比较图

84 阅读 0 评论 56 点赞

我是靠谱客的博主天真指甲油，这篇文章主要介绍IO 多路复用之 (select/poll/epoll)一、常见的IO模型二、IO多路复用简介三、select、poll、epoll简介四、select、poll、epoll区别五、五种IO模型比较图，现在分享给大家，希望可以做个参考。

一、常见的IO模型

IO模型主要分为同步IO和异步IO两大类，同步IO和异步IO主要区别

同步IO: 当进程发起IO操作后，数据准备就绪做真实IO操作的时候，这个过程是阻塞的

异步IO：当进程发起IO 操作之后，就直接返回，直到kernel发送一个信号，告诉进程IO操作完成，无需进程负责真实IO操作，所以不存在阻塞，称之为异步

1.1 同步IO模型（synchronous IO）

阻塞IO（bloking IO）

非阻塞IO（non-blocking IO）

多路复用IO（multiplexing IO）

信号驱动式IO（signal-driven IO）

1.2 异步IO（asynchronous IO）

Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的比较少。目前有开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv等

本文主要讲同步IO模型中的多路复用IO，其他IO模型可参考：聊聊Linux 五种IO模型 - 简书

二、IO多路复用简介

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

当客户处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

目前支持I/O多路复用的系统调用有 select，pselect，poll，epoll，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，pselect，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

对于IO多路复用机制不理解的同学，可以先行参考《聊聊Linux 五种IO模型》，来了解Linux五种IO模型。

三、select、poll、epoll简介

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现。

3.1 select

基本原理：

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

基本流程，如图所示：

select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。select的一个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

1.select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE设置，默认值是1024。

一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2.对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。

当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

3.需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

3.2 poll

基本原理：

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：

大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。

poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

注意：

从上面看，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

3.3 epoll

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

基本原理：

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

epoll的优点：

没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。

效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。