一、IO多路復用的模型
? ? ? ? 當用戶進程調(diào)用了select，那么整個進程會被block，而同時，kernel會“監(jiān)視”所有select負責的socket（一個管理多個socket連接），當任何一個socket中的數(shù)據(jù)準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調(diào)用read操作，將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進程。所以，I/O 多路復用的特點是通過一種機制實現(xiàn)一個進程能同時等待多個文件描述符，而這些文件描述符其中的任意一個進入讀就緒狀態(tài)，select()函數(shù)就可以返回。select，poll，epoll都是IO多路復用的機制。I/O多路復用就是通過一種機制。但select，poll，epoll本質(zhì)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從內(nèi)核進行讀寫，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(xiàn)會負責把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。
1、select
int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
? ? ? ? select 函數(shù)監(jiān)視的文件描述符分3類，分別是writefds、readfds、和exceptfds。調(diào)用后select函數(shù)會阻塞，直到有描述符就緒（有數(shù)據(jù) 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(shù)返回。當select函數(shù)返回后，可以 通過遍歷fdset，來找到就緒的描述符。
? ? ? ? select時間復雜度O(n)，它僅僅知道了，有I/O事件發(fā)生了，卻并不知道是哪那幾個流（可能有一個，多個，甚至全部），我們只能無差別輪詢所有流，找出能讀出數(shù)據(jù)，或者寫入數(shù)據(jù)的流，對他們進行操作。所以select具有O(n)的無差別輪詢復雜度，同時處理的流越多，無差別輪詢時間就越長。
這樣所帶來的缺點是：
（1） 單個進程可監(jiān)視的fd數(shù)量被限制，即能監(jiān)聽端口的大小有限。
? ? ? ?一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關系很大，具體數(shù)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.
（2） 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(diào)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(diào)函數(shù)，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。
（3）需要維護一個用來存放大量fd的數(shù)據(jù)結構，這樣會使得用戶空間和內(nèi)核空間在傳遞該結構時復制開銷大
2、poll
int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
不同與select使用三個位圖來表示三個fdset的方式，poll使用一個 pollfd的指針實現(xiàn)。
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events to watch */
short revents; /* returned events witnessed */
};
? ? ? ?pollfd結構包含了要監(jiān)視的event和發(fā)生的event，不再使用select“參數(shù)-值”傳遞的方式。同時，pollfd并沒有最大數(shù)量限制（但是數(shù)量過大后性能也是會下降），原因是它是基于鏈表來存儲的。 和select函數(shù)一樣，poll返回后，需要輪詢pollfd來獲取就緒的描述符。
? ? ? ?poll本質(zhì)上和select沒有區(qū)別，時間復雜度O(n)，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個fd對應的設備狀態(tài)，如果設備就緒則在設備等待隊列中加入一項并繼續(xù)遍歷，如果遍歷完所有fd后沒有發(fā)現(xiàn)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(jīng)歷了多次無謂的遍歷。
但是同樣有一個缺點：
(1）大量的fd的數(shù)組被整體復制于用戶空間和內(nèi)核地址空間之間，而不管這樣的復制是不是有意義。? ? ? ? ? ? ?
(2)? ?poll還有一個特點是“水平觸發(fā)”，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。
? ? ? ?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(jīng)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(tài)，因此隨著監(jiān)視的描述符數(shù)量的增長，其效率也會線性下降。
3、epoll
? ? ? ?epoll是在2.6內(nèi)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(nèi)核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內(nèi)核空間的copy只需一次。
int epoll_create(int size)；//創(chuàng)建一個epoll的句柄，size用來告訴內(nèi)核這個監(jiān)聽的數(shù)目一共有多大
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);
1. int epoll_create(int size);創(chuàng)建一個epoll的句柄，size用來告訴內(nèi)核這個監(jiān)聽的數(shù)目一共有多大，這個參數(shù)不同于select()中的第一個參數(shù)，給出最大監(jiān)聽的fd+1的值，參數(shù)size并不是限制了epoll所能監(jiān)聽的描述符最大個數(shù)，只是對內(nèi)核初始分配內(nèi)部數(shù)據(jù)結構的一個建議。當創(chuàng)建好epoll句柄后，它就會占用一個fd值，在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll后，必須調(diào)用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。
2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
函數(shù)是對指定描述符fd執(zhí)行op操作。
? epfd：是epoll_create()的返回值。
? op：表示op操作，用三個宏來表示：添加EPOLL_CTL_ADD，刪除EPOLL_CTL_DEL，? ? ? ? ? ? ? ? ? 修改EPOLL_CTL_MOD。分別添加、刪除和修改對fd的監(jiān)聽事件。
? fd：是需要監(jiān)聽的fd（文件描述符）
? epoll_event：是告訴內(nèi)核需要監(jiān)聽什么事
3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);等待epfd上的io事件，最多返回maxevents個事件。參數(shù)events用來從內(nèi)核得到事件的集合，maxevents告之內(nèi)核這個events有多大，這個maxevents的值不能大于創(chuàng)建epoll_create()時的size，參數(shù)timeout是超時時間（毫秒，0會立即返回，-1將不確定，也有說法說是永久阻塞）。該函數(shù)返回需要處理的事件數(shù)目，如返回0表示已超時。
? ? ?epoll可以理解為event poll，不同于忙輪詢和無差別輪詢，epoll會把哪個流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們。所以我們說epoll實際上是事件驅動（每個事件關聯(lián)上fd）的，此時我們對這些流的操作都是有意義的。（復雜度降低到了O(1)），在 select/poll中，進程只有在調(diào)用一定的方法后，內(nèi)核才對所有監(jiān)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(nèi)核會采用類似callback的回調(diào)機制，迅速激活這個文件描述符，當進程調(diào)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(jiān)聽回調(diào)的的機制。這正是epoll的魅力所在，epoll_wait每次讀取到的都是那種已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)。)
epoll的優(yōu)點：
1、沒有最大并發(fā)連接的限制，能打開的FD的上限遠大于1024（1G的內(nèi)存上能監(jiān)聽約10萬個端口）；
2、效率提升，不是輪詢的方式，不會隨著FD數(shù)目的增加效率下降。只有活躍可用的FD才會調(diào)用callback函數(shù)；即Epoll最大的優(yōu)點就在于它只管你“活躍”的連接，而跟連接總數(shù)無關，因此在實際的網(wǎng)絡環(huán)境中，Epoll的效率就會遠遠高于select和poll。
3、 內(nèi)存拷貝，利用mmap()文件映射內(nèi)存加速與內(nèi)核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減少復制開銷。
LT模式與ET模式
? ? ? epoll有EPOLLLT和EPOLLET兩種觸發(fā)模式，LT是默認的模式，ET是“高速”模式。LT模式下，只要這個fd還有數(shù)據(jù)可讀，每次 epoll_wait都會返回它的事件，提醒用戶程序去操作，而在ET（邊緣觸發(fā)）模式中，它只會提示一次，直到下次再有數(shù)據(jù)流入之前都不會再提示了，無 論fd中是否還有數(shù)據(jù)可讀。所以在ET模式下，read一個fd的時候一定要把它的buffer讀光，也就是說一直讀到read的返回值小于請求值，或者 遇到EAGAIN錯誤。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(nèi)核就會采用類似callback的回調(diào)機制來激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。
epoll為什么要有EPOLLET觸發(fā)模式？
? ? ? ? 如果采用EPOLLLT模式的話，系統(tǒng)中一旦有大量你不需要讀寫的就緒文件描述符，它們每次調(diào)用epoll_wait都會返回，這樣會大大降低處理程序檢索自己關心的就緒文件描述符的效率.。而采用EPOLLET這種邊沿觸發(fā)模式的話，當被監(jiān)控的文件描述符上有可讀寫事件發(fā)生時，epoll_wait()會通知處理程序去讀寫。如果這次沒有把數(shù)據(jù)全部讀寫完(如讀寫緩沖區(qū)太小)，那么下次調(diào)用epoll_wait()時，它不會通知你，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現(xiàn)第二次可讀寫事件才會通知你?。。?b>這種模式比水平觸發(fā)效率高，系統(tǒng)不會充斥大量你不關心的就緒文件描述符
epoll對poll方式的改進
epoll既然是對select和poll的改進，那epoll都是怎么解決的呢？在此之前，我們先看一下epoll和select和poll的調(diào)用接口上的不同，select和poll都只提供了一個函數(shù)——select或者poll函數(shù)。而epoll提供了三個函數(shù)，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是創(chuàng)建一個epoll句柄；epoll_ctl是注冊要監(jiān)聽的事件類型；epoll_wait則是等待事件的產(chǎn)生。
對于第一個缺點，epoll的解決方案在epoll_ctl函數(shù)中。每次注冊新的事件到epoll句柄中時（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會把所有的fd拷貝進內(nèi)核，而不是在epoll_wait的時候重復拷貝。epoll保證了每個fd在整個過程中只會拷貝一次。
對于第二個缺點，epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把當前進程輪流加入fd對應的設備等待隊列中，而只在epoll_ctl時把當前進程掛一遍（這一遍必不可少）并為每個fd指定一個回調(diào)函數(shù)，當設備就緒，喚醒等待隊列上的等待者時，就會調(diào)用這個回調(diào)函數(shù)，而這個回調(diào)函數(shù)會把就緒的fd加入一個就緒鏈表）。epoll_wait的工作實際上就是在這個就緒鏈表中查看有沒有就緒的fd（利用schedule_timeout()實現(xiàn)睡一會，判斷一會的效果，和select實現(xiàn)中的第7步是類似的）。
對于第三個缺點，epoll沒有這個限制，它所支持的FD上限是最大可以打開文件的數(shù)目，這個數(shù)字一般遠大于2048,舉個例子,在1GB內(nèi)存的機器上大約是10萬左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關系很大。
參考：
