我們希望在一個或多個I/O條件就緒（即輸入已準(zhǔn)備好被讀取，或者描述符能夠接收更多輸出）時得到通知。此功能稱為I/O復(fù)用，由select和poll等函數(shù)支持。

通常情況下，I/O多路復(fù)用通常用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序：

• 當(dāng)客戶端處理多個描述符時（通常是交互式輸入和網(wǎng)絡(luò)套接字）
• 當(dāng)客戶端同時處理多個套接字時（這是可能的，但很少見）
• 如果TCP服務(wù)器同時處理偵聽套接字及其連接的套接字
• 如果服務(wù)器同時處理TCP和UDP
• 如果服務(wù)器處理多種服務(wù)，并且可能處理多種協(xié)議

但是I/O復(fù)用不限于網(wǎng)絡(luò)編程。

Unix/Linux系統(tǒng)中的所有內(nèi)容都是文件。每個進程都有一個文件描述符，該描述符指向文件，套接字，設(shè)備和其他操作系統(tǒng)對象。

我們告訴內(nèi)核我們對哪些描述符感興趣（用于讀取，寫入或異常情況）以及等待多長時間。我們感興趣的描述符不限于套接字，還可以是任何的描述符。

I/O模型

Unix/Linux 下可供我們使用的五個I/O模型

1. blocking I/O 【阻塞I/O】
2. nonblocking I/O 【非阻塞I/O】
3. I/O multiplexing (select and poll) 【多路復(fù)用I/O】
4. signal driven I/O (SIGIO) 【信號驅(qū)動】
5. asynchronous I/O (the POSIX aio_ functions) 【異步I/O，由POSIX規(guī)范定義的】

輸入操作通常有兩個不同的階段：

1. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。這涉及等待數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)包到達時，它將被復(fù)制到內(nèi)核中的緩沖區(qū)中。
2. 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到進程。這意味著將（就緒）數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到我們的應(yīng)用程序緩沖區(qū)中

同步IO&異步IO

根據(jù) POSIX 定義:

• 同步I/O操作會阻塞請求進程，直到I/O操作完成
• 異步I/O操作不會導(dǎo)致阻塞請求進程

按照這種分類，上邊5種I/O模型中，只有AIO一種是異步的，其他都是同步的。
因為其中真正的IO操作(recvfrom 調(diào)用) 會阻塞進程，recvfrom 會阻塞等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到應(yīng)用進程空間, 當(dāng)賦值完成后, recvfrom 才返回。

但是從我們編程的角度來看，「I/O多路復(fù)用」和「信號驅(qū)動I/O」都不會導(dǎo)致我們的進程完全被阻塞，因為在多線程下，阻塞一個線程并不會導(dǎo)致整個進程被阻塞。

I/O多路復(fù)用實現(xiàn)方式

I/O多路復(fù)用(I/O multiplexing) 通過系統(tǒng)調(diào)用 select，poll，epoll 支持。

select/epoll的好處就在于單個進程就可以同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll這些個函數(shù)會不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket，當(dāng)某個socket有數(shù)據(jù)到達了，就通知用戶進程。

本質(zhì)是通過系統(tǒng)函數(shù)select、poll、epool（模塊）來監(jiān)聽多個文件描述符（套接字描述符）。
無論epoll還是select都受限于系統(tǒng)中單個進程能夠打開的文件句柄數(shù)。

select/poll的優(yōu)勢并不是對于單個連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。

一、select

select是個系統(tǒng)調(diào)用，提供了一種用于實現(xiàn)同步多路復(fù)用I/O的機制

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

對select()的調(diào)用將一直阻塞，直到給定的文件描述符準(zhǔn)備執(zhí)行I/O為止，或者直到經(jīng)過可選的指定超時為止。

監(jiān)視的文件描述符類型分為三種：

• 監(jiān)視readfds集中列出的文件描述符，以查看是否有數(shù)據(jù)可讀取。
• 監(jiān)視writefds集中列出的文件描述符，以查看寫操作是否將完成而不會阻塞。
• 監(jiān)視exceptionfds集中的文件描述符，以查看是否發(fā)生了異?；驇鈹?shù)據(jù)是否可用（這些狀態(tài)僅適用于套接字）。

執(zhí)行select()成功返回后，將修改每個集合，以使其僅包含準(zhǔn)備好由該集合描述的I/O類型的文件描述符。

優(yōu)缺點

優(yōu)點：

select的主要優(yōu)點是它具有很高的可移植性-像OS一樣的每個UNIX都具有它

缺點：

• select()使用fd_set來表示文件描述符的集合，而fd_set其實就是一個固定長度的位向量(bit vector)，在Linux上，這個固定長度是FD_SETSIZE，其數(shù)值是1024。
  故select()監(jiān)聽的文件描述符總數(shù)必須小于1024。
• 我們需要遍歷文件描述符以檢查它是否存在于select返回的集合中

注意事項：

每次select之前要重置每個入?yún)⒓系闹担ǚ祷貢r會被修改）。

二、poll

poll提供與相似的功能select。
與select()不同，因為select()具有效率低下的三個基于位掩碼的文件描述符集，poll()使用nfds pollfd結(jié)構(gòu)的單個數(shù)組。原型更簡單：

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

pollfd結(jié)構(gòu)的事件和返回事件具有不同的字段，因此我們不必每次都構(gòu)建它

struct pollfd {
      int fd;
      short events; 
      short revents;
};

對于每個文件描述符，構(gòu)建一個類型為pollfd的對象，并填充所需的事件。poll返回后，檢查revents字段即可

就像我們對select所做的那樣，我們需要檢查每個pollfd對象以查看其文件描述符是否已準(zhǔn)備就緒，但是我們不需要在每次迭代時都構(gòu)建集合

優(yōu)缺點

優(yōu)點：

poll()系統(tǒng)調(diào)用將輸入（events字段）與輸出（revents字段）分開，從而允許入?yún)⒈恢貜?fù)使用而無需更改。

缺點：

由于某些Unix系統(tǒng)不支持poll()，因此select()具有更高的可移植性。

select 和 poll 的性能問題

使用select()或poll()監(jiān)聽大量的文件描述符時，往往會遭遇到性能問題。當(dāng)用戶每次調(diào)用select()或poll()時，內(nèi)核會對傳入的所有文件描述符都檢查一遍，并記錄其中有哪些文件描述符存在I/O就緒，這個操作的耗時將隨著文件描述符數(shù)量的增加而線性增長。

另一個重要因素也會影響select()和poll()的性能，例如用戶每次調(diào)用poll()時，都需要傳遞一個pollfd數(shù)組，而poll()會將這個數(shù)組從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間，當(dāng)內(nèi)核對這個數(shù)組作了修改之后，poll()又會將這個數(shù)組從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。隨著pollfd數(shù)組長度的增加，每次拷貝的時間也會線性增長，一旦poll()需要監(jiān)聽大量的文件描述符，每次調(diào)用poll()時，這個拷貝操作將帶來不小的開銷。這個問題的根源在于select()和poll()的API設(shè)計不當(dāng)，例如，對于應(yīng)用程序來說，它每次調(diào)用poll()所監(jiān)聽的文件描述符集合應(yīng)該是差不多的，所以我們不禁這樣想，如果內(nèi)核愿意提供一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄程序所要監(jiān)聽的文件描述符集合，這樣每次用戶調(diào)用poll()時，poll()就不需要將pollfd數(shù)組拷貝來拷貝去了（沒錯，epoll 就是這樣解決的）。

三、epoll

epoll是為了解決select()和poll()中存在的問題

epoll是個模塊，由三個系統(tǒng)調(diào)用（epoll_create epoll_ctl epoll_wait）組成，Epoll 系統(tǒng)調(diào)用可幫助我們在內(nèi)核中創(chuàng)建和管理上下文。epoll使用紅黑樹（RB-tree）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤當(dāng)前正在監(jiān)視的所有文件描述符。

我們將任務(wù)分為3個步驟：

• 使用epoll_create在內(nèi)核中創(chuàng)建上下文
• 使用epoll_ctl向/從上下文中添加和刪除文件描述符
• 使用epoll_wait等待上下文中的事件

epoll_ctl()負(fù)責(zé)增加、刪除或修改紅黑樹上的節(jié)點，而epoll_wait()則負(fù)責(zé)返回雙向鏈表中就緒的文件描述符(及其事件)。

當(dāng)網(wǎng)卡收到一個 packet 的時候，會觸發(fā)一個硬件中斷，這導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的中斷 handler，從網(wǎng)卡中讀入數(shù)據(jù)放到協(xié)議棧，當(dāng)數(shù)據(jù)量滿足一定條件時，內(nèi)核將回調(diào)ep_poll_callback()這個方法，它負(fù)責(zé)把這個就緒的文件描述符添加到雙向鏈表中。這樣當(dāng)用戶調(diào)用epoll_wait()時，epoll_wait()所做的就只是檢查雙向鏈表是否為空，如果不為空，就把文件描述符和數(shù)量返回給用戶即可。

觸發(fā)模式

epoll提供邊沿觸發(fā)（Edge-Triggered）及狀態(tài)觸發(fā)（Level-Triggered）模式。

Level-Triggered 也翻譯成水平觸發(fā)、條件觸發(fā)

邊沿觸發(fā)：
監(jiān)控對象的狀態(tài)發(fā)生改變時觸發(fā)，此后如果狀態(tài)一直沒有發(fā)生變化應(yīng)用程序?qū)⒉辉偈盏酵ㄖ?/p>

狀態(tài)觸發(fā)：
處于某種狀態(tài)下（如緩沖區(qū)可以讀）就一直觸發(fā)

如：
socket接收到緩存數(shù)據(jù)時，調(diào)用epoll_wait，上面兩種方法都將返回，表明存在要讀取的數(shù)據(jù)。
假設(shè)讀取器僅消耗了緩沖區(qū)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
在狀態(tài)觸發(fā)模式下，epoll_wait只要管道的緩沖區(qū)包含要讀取的數(shù)據(jù)，對epoll_wait的調(diào)用將立即返回；
但是，在邊沿觸發(fā)模式下，epoll_wait僅在將新數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)后才返回。

一般編程邏輯

1. 【epoll_create】在內(nèi)核中創(chuàng)建epoll實例并返回一個epoll文件描述符（epfd）。

int epoll_create1(int flags);

2. 【epoll_ctl】向epfd對應(yīng)的內(nèi)核epoll實例添加、修改或刪除對fd（File descriptor）上事件event的監(jiān)聽。類型可以為EPOLL_CTL_ADD, EPOLL_CTL_MOD, EPOLL_CTL_DEL分別對應(yīng)的是添加新的事件，修改文件描述符上監(jiān)聽的事件類型。

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

3. 【epoll_wait】循環(huán)執(zhí)行epoll_wait，當(dāng)timeout 為0 時，epoll_wait 永遠(yuǎn)會立即返回。而timeout 為-1 時，epoll_wait 會一直阻塞直到任一已注冊的事件變?yōu)榫途w。當(dāng)timeout 為一正整數(shù)時，epoll 會阻塞直到計時timeout 毫秒終了或已注冊的事件變?yōu)榫途w。因為內(nèi)核調(diào)度延遲，阻塞的時間可能會略微超過timeout 毫秒。

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

優(yōu)缺點

優(yōu)點：

• 我們可以在等待時添加和刪除文件描述符
• epoll_wait僅返回具有就緒文件描述符的對象
• epoll具有更好的性能-（Epoll時間復(fù)雜度為O(1) 代替之前的O(n)）
• epoll可以表現(xiàn)為狀態(tài)觸發(fā)或邊緣觸發(fā)

缺點：

epoll是特定于Linux的，因此不可移植