一、概述
说到Linux下的IO复用，系统提供了三个系统调用，分别是select poll epoll。那么这三者之间有什么不同呢，什么时候使用三个之间的其中一个呢？
下面，我将从系统调用原型来分析其中的不同。
二、系统接口原型
1. select
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
const sigset_t *sigmask);
2. poll
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,
const struct timespec *timeout_ts, const sigset_t *sigmask);
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};
3. epoll
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout);
int epoll_pwait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout,
const sigset_t *sigmask);
三、参数对比
1. select
- select的第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一个位数组，其大小限制为__FD_SETSIZE（1024），位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查；
- select的第二三四个参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组，这些参数既是输入参数也是输出参数，可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件。所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。
- timeout参数为超时时间，该结构会被内核修改，其值为超时剩余的时间。
- select对应于内核中的sys_select调用，sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核，然后对每个被SET的描述符调用进行poll，并记录在临时结果中（fdset），如果有事件发生，select会将临时结果写到用户空间并返回；当轮询一遍后没有任何事件发生时，如果指定了超时时间，则select会睡眠到超时，睡眠结束后再进行一次轮询，并将临时结果写到用户空间，然后返回。
- select返回后，需要逐一检查关注的描述符是否被SET（事件是否发生）。
2. poll
- poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。
- poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，相比处理fdset来说，poll效率更高。
- poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。
poll事件类型
| 事件 | 描述 | 是否可作为输入 | 是否可作为输出 |
| POLLIN | 数据（包括普通数据和优先数据） | 是 | 是 |
| POLLRDNORM | 普通数据可读 | 是 | 是 |
| POLLRDBAND | 优先级带数据可读（Linux不支持） | 是 | 是 |
| POLLPRI | 高优先级数据可读，比如TCP带外数据 | 是 | 是 |
| POLLOUT | 数据（包括普通数据和优先数据）可写 | 是 | 是 |
| POLLWRNORM | 普通数据可写 | 是 | 是 |
| POLLWRBAND | 优先级带数据可写 | 是 | 是 |
| POLLRDHUP | TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作。它由GNU引入 | 是 | 是 |
| POLLERR | 错误 | 否 | 是 |
| POLLHUP | 挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件 | 否 | 是 |
| POLLNVAL | 文件描述符没有打开 | 否 | 是 |
3. epoll
- epoll是Linux特有的I/O复用函数。它在实现上与select、poll有很大的差异。首先，epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数；
- 其次，epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件的事件放在内核里的一个事件表中。但epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中的这个事件表；
- epoll通过epoll_create创建一个用于epoll轮询的描述符，通过epoll_ctl添加/修改/删除事件，通过epoll_wait检查事件，epoll_wait的第二个参数用于存放结果。
- epoll与select、poll不同，首先，其不用每次调用都向内核拷贝事件描述信息，在第一次调用后，事件信息就会与对应的epoll描述符关联起来。另外epoll不是通过轮询，而是通过在等待的描述符上注册回调函数，当事件发生时，回调函数负责把发生的事件存储在就绪事件链表中，最后写到用户空间。
- epoll返回后，该参数指向的缓冲区中即为发生的事件，对缓冲区中每个元素进行处理即可，而不需要像poll、select那样进行轮询检查。
四、性能对比
select、poll的内部实现机制相似，性能差别主要在于向内核传递参数以及对fdset的位操作上，另外，select存在描述符数的硬限制，不能处理很大的描述符集合。
这里主要考察poll与epoll在不同大小描述符集合的情况下性能的差异。
测试程序会统计在不同的文件描述符集合的情况下，1s 内poll与epoll调用的次数。
统计结果如下，从结果可以看出，对poll而言，每秒钟内的系统调用数目虽集合增大而很快降低，而epoll基本保持不变，具有很好的扩展性。
|
描述符集合大小 |
poll |
epoll |
|
1 |
331598 |
258604 |
|
10 |
330648 |
297033 |
|
100 |
91199 |
288784 |
|
1000 |
27411 |
296357 |
|
5000 |
5943 |
288671 |
|
10000 |
2893 |
292397 |
|
25000 |
1041 |
285905 |
|
50000 |
536 |
293033 |
|
100000 |
224 |
285825 |
五、连接数
我本人也曾经在项目中用过select和epoll，对于select，感触最深的是linux下select最大数目限制(windows 下似乎没有限制)，每个进程的select最多能处理FD_SETSIZE个FD(文件句柄)，如果要处理超过1024个句柄，只能采用多进程了。
常见的使用select的多进程模型是这样的：
一个进程专门accept，成功后将fd通过UNIX socket传递给子进程处理，父进程可以根据子进程负载分派。
曾经用过1个父进程 + 4个子进程 承载了超过4000个的负载。
这种模型在我们当时的业务运行的非常好。
epoll在连接数方面没有限制，当然可能需要用户调用API重现设置进程的资源限制。
六、相同点
- 都能同时监听多个文件描述符；
- 它们将等待由timeout参数指定的超时时间，直到一个或者多个文件描述符上有事件发生时返回，返回值是就绪的文件描述符的数量；
七、不同点
对于select：
1. 只能通过三个结构体参数处理三种事件，分别是：可读、可写和异常事件，而不能处理更多的事件；
2. 这三个参数既是输入参数，也是输出参数，因此，在每次调用select之前，都得对fd_set进行重置；
对于poll：
1. 将文件描述符和事件关联在一起，任何事件都被统一处理，从而使得编程接口简洁不少；
2. 内核改变的变量是revents，而不是events，因此，调用之前不需要再重置；
由于每次select和poll调用都返回整个用户注册的事件集合（其中包括就绪的和未就绪的），所以应用程序索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)。
而epoll采用与select和poll完全不同的方式来管理用户注册的事件。
八、poll和epoll在使用上的差别
/*poll example*/
/*如何索引poll返回的就绪文件描述符*/
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -);
/*必须遍历所有已注册文件描述符并找到其中的就绪者（当然，可以利用ret来稍作优化）*/
for(int i = ; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i)
{
if(fds[i].revents & POLLIN)
{
int sockfd = fds[i].fd;
//deal with sockfd.
}
} /*epoll example*/
int epfd = epoll_create(MAXSIZE); struct epoll_event ev,events[];
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); int nfds = epoll_wait(epfd,events,,-);
//处理所发生的所有事件
for(int i = ; i< nfds; ++i)
{
//new accept.
if(events[i].data.fd == listenfd)
{
printf("listen=%d\n",events[i].data.fd);
connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)(&clientaddr), &clilen);
if(connfd<)
{
perror("connfd<0");
exit();
}
setnonblocking(connfd);
char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
std::cout<<"connec_ from >>"<<str<<" "<<connfd<<std::endl; //设置用于读操作的文件描述符
ev.data.fd = connfd; //设置用于注测的读操作事件
//ev.data.ptr = NULL;
ev.events = EPOLLIN|EPOLLET; //注册ev
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
ev.data.fd = listenfd; //设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,listenfd,&ev);
continue;
}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
num1++;
//fprintf(stderr,"reading! %d\n",num1);
if( (sockfd = events[i].data.fd) <= )
{
num1--;
continue;
} new_task = NULL;
while(new_task == NULL)
new_task = new task(); new_task->fd = sockfd;
new_task->next=NULL; //fprintf(stderr,"sockfd %d",sockfd);
//添加新的读任务
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(readhead == NULL)
{
readhead = new_task;
readtail = new_task;
}
else
{
readtail->next=new_task;
readtail=new_task;
}
//唤醒所有等待cond1条件的线程
pthread_cond_broadcast(&cond1);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
continue;
}
else if(events.events & EPOLLOUT)
{
//fprintf(stderr,"EPOLLOUT");
num++;
rdata=(struct user_data *)events[i].data.ptr;
sockfd =rdata->fd;
if(old == sockfd)
{
fprintf(stderr,"repreted sockfd=%d\n",sockfd);
//exit(1);
}
old=sockfd;
//fprintf(stderr,"write %d\n",num);
int size=write(sockfd, rdata->line, rdata->n_size);
//fprintf(stderr,"write=%d delete rdata\n",size);
fprintf(stderr,"addr=%x fdwrite=%d size=%d\n",rdata,rdata->fd,size); if(rdata!=NULL)／／主要问题导致delete重复相同对象 events返回对象相同
{
delete rdata;
rdata=NULL;
} //设置用于读操作的文件描述符
//fprintf(stderr,"after delete rdata\n");
ev.data.fd=sockfd; //设置用于注测的读操作事件
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
res = epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); while(res==-)
{
//fprintf(stderr,"out error");
exit();
}
//fprintf(stderr,"out EPOLLOUT\n");
continue;
}
else if(events.events&(EPOLLHUP|EPOLLERR))
{
//fprintf(stderr,"EPPOLLERR\n");
int fd=events.data.fd;
if(fd>)
{
fd=((struct user_data*)(events.data.ptr))->fd;
}
//设置用于注测的读操作事件
ev.data.fd=fd;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET|EPOLLOUT; //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
}
}