IO多路复用，select、poll、epoll区别

本文主要是介绍IO多路复用，select、poll、epoll区别，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

• IO多路复用是一种同步IO模型，一个线程监听多个IO事件，当有IO事件就绪时，就会通知线程去执行相应的读写操作，没有就绪事件时，就会阻塞交出cpu。多路是指网络链接，复用指的是复用同一线程。

• select

  • fd_set数据结构定义如下，可以看出fd_set是一个整型数组，用于保存socket文件描述符

  typedef long int __fd_mask;/* fd_set for select and pselect.  */
  typedef struct{
  #ifdef __USE_XOPEN__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
  # define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
  #else__fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
  # define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
  #endif} fd_set;

  • 执行过程

    

    流程：

    1. 用户线程调用select，将fd_set从用户空间拷贝到内核空间
    2. 内核在内核空间对fd_set遍历一遍，检查是否有就绪的socket描述符，如果没有的话，就会进入休眠，直到有就绪的socket描述符
    3. 内核返回select的结果给用户线程，即就绪的文件描述符数量
    4. 用户拿到就绪文件描述符数量后，再次对fd_set进行遍历，找出就绪的文件描述符
    5. 用户线程对就绪的文件描述符进行读写操作

  • 优点

    1. 所有平台都支持，良好的跨平台性

  • 缺点

    1. 每次调用select，都需要将fd_set从用户空间拷贝到内核空间，当fd很多时，这个开销很大
    2. 最大连接数（支持的最大文件描述符数量）有限制，一般为1024
    3. 每次有活跃的socket描述符时，都需要遍历一次fd_set，造成大量的时间开销，时间复杂度是O(n)
    4. 将fd_set从用户空间拷贝到内核空间，内核空间也需要对fd_set遍历一遍

• poll

  • 数据结构

    数据结构定义如下，链表存储

    /* Data structure describing a polling request.  */
    struct pollfd{int fd;			/* File descriptor to poll.  */short int events;		/* Types of events poller cares about.  */short int revents;		/* Types of events that actually occurred.  */};

  • 与select的异同点

    相同点：

    1. 内核线程都需要遍历文件描述符，并且当内核返回就绪的文件描述符数量后，还需要遍历一次找出就绪的文件描述符
    2. 需要将文件描述符数组或链表从用户空间拷贝到内核空间
    3. 性能开销会随文件描述符的数量而线性增大

    不同点：

    1. select存储的数据结构是文件描述符数组，poll采用链表
    2. select有最大连接数限制，poll没有最大限制，因为poll采用链表存储

  • 执行过程（基本与select类似）

    1. 用户线程调用poll系统调用，并将文件描述符链表拷贝到内核空间
    2. 内核对文件描述符遍历一遍，如果没有就绪的描述符，则内核开始休眠，直到有就绪的文件描述符
    3. 返回给用户线程就绪的文件描述符数量
    4. 用户线程再遍历一次文件描述符链表，找出就绪的文件描述符
    5. 用户线程对就绪的文件描述符进行读写操作

• epoll

  • 核心代码

    #include <sys/epoll.h>// 数据结构
    // 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体
    // 红黑树用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件
    // epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可
    struct eventpoll {.../*红黑树的根节点，这颗树存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/struct rb_root  rbr;/*双链表存储所有就绪的文件描述符*/struct list_head rdlist;...
    };// API
    int epoll_create(int size); // 内核中间加一个 eventpoll 对象，把所有需要监听的 socket 都放到 eventpoll 对象中
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl 负责把 socket 增加、删除到内核红黑树
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);// epoll_wait 检测双链表中是否有就绪的文件描述符，如果有，则返回

    核心点：

    1. epoll_create创建eventpoll对象（红黑树，双链表）
    2. 一棵红黑树，存储监听的所有文件描述符，并且通过epoll_ctl将文件描述符添加、删除到红黑树
    3. 一个双链表，存储就绪的文件描述符列表，epoll_wait调用时，检测此链表中是否有数据，有的话直接返回
    4. 所有添加到eventpoll中的事件都与设备驱动程序建立回调关系

  • 缺点

    1. 只能工作在linux下

  • 优点

    1. 时间复杂度为O(1)，当有事件就绪时，epoll_wait只需要检测就绪链表中有没有数据，如果有的话就直接返回
    2. 不需要从用户空间到内核空间频繁拷贝文件描述符集合，使用了内存映射(mmap)技术
    3. 当有就绪事件发生时采用回调的形式通知用户线程

• select、poll、epoll的区别

  	select	poll	epoll
  底层数据结构	数组存储文件描述符	链表存储文件描述符	红黑树存储监控的文件描述符，双链表存储就绪的文件描述符
  如何从fd数据中获取就绪的fd	遍历fd_set	遍历链表	回调
  时间复杂度	获得就绪的文件描述符需要遍历fd数组，O(n)	获得就绪的文件描述符需要遍历fd链表，O(n)	当有就绪事件时，系统注册的回调函数就会被调用，将就绪的fd放入到就绪链表中。O(1)
  FD数据拷贝	每次调用select，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	每次调用poll，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	使用内存映射(mmap)，不需要从用户空间频繁拷贝fd数据到内核空间
  最大连接数	有限制，一般为1024	无限制	无限制

• epoll 的水平触发（LT）和边缘触发（ET）的区别

  LT模式：只要文件描述符还有数据可读，每次epoll_wait就会返回它的事件（只要有数据就触发）

  ET模式：只有数据流到来的时候才触发，不管缓冲区是否还有数据（只有数据流到来才会触发）

• IO多路复用应用场景

  1. 连接数较少并且都很活跃,用select和poll效率更高
  2. 连接数较多并且都不很活跃,使用epoll效率更高

这篇关于IO多路复用，select、poll、epoll区别的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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