select、poll和epoll的区别

我们从源码的角度看一下它们实现有哪些区别。

select：客户端操作服务器时会生成三种文件描述符 fd：readfds（读）、writefds（写）和 exceptfds（异常）。

int select(
int maxfd,
   fd_set *readset,
   fd_set *writeset,
   fd_set *exceptset,
   struct timeval *timeout
);

返回值：
   Ready_fd -> Ready_fd num // 当调用select时，返回就绪的fd数量
   Timeout -> 0 // 超时返回0
   Error -> -1 // 错误返回-1

当遍历函数 select() 执行时，会阻塞当前线程（老师啥也不做，等着看哪个学生举手了），以监视这 3 类文件描述符，等有数据可读、可写或者产生异常时，就会返回。返回后通过遍历 fdset 整个数组来找到已就绪的 fd，然后进行相应的 IO 操作。

优点：几乎所有的平台都支持；

缺点：

• 单个进程打开的 fd 限制数量为 1024 个（32位机器），可通过宏定义修改，但是效率依旧很慢；
• 每次调用 select() 时，需要把 fd 数据从用户态拷贝到内核态，频繁复制开销很大；
• 轮询方式遍历，会随着套接字 fd 的数量增多，性能下降。且每次都需要全部遍历，浪费CPU 时间，时间复杂度为 O(n)。

poll：基本原理与 select 一致，也是轮询 + 遍历，区别是 poll 中 fd 没有最大数量的限制（使用链表的方式存储 fd）。

int poll (
struct pollfd *fds, // 链表存储
   unsigned long nfds,
   int timeout
);
返回值：
   Ready_fd -> Ready_fd num
   Timeout -> 0
   Error -> -1

struct pollfd {
   int fd; // file descriptor，文件描述符
   short events; // events to look for，不变
   short revents; // events returned，返回
}

epoll：没有 fd 个数限制，且 fd 集合从用户态到内核态只需要一次，使用时间通知机制来触发。通过 epoll_ctl 注册 fd，一旦 fd 就绪就会通过回调地址来激活对应的 fd，进行相关的 IO 操作。

int epoll_create(int size);
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
)

typedef union epoll_data {
   void *ptr;
   int fd;
   uint32_t u32;
   uint64_t u64;
}epoll_data_t;

struct epoll_event {
   uint32_t events;   // epoll events
   epoll_data_t data; // user data variable
}

epoll 之所以性能高是得益于它的三个函数：

• epoll_create() 系统启动时，在 Linux 内核里创建 epoll 实例（申请一个红黑树 rbTree 和就绪链表 readyList），以便存放 socket 节点；
• epoll_ctl() 每新建一个连接，都通过该函数操作 epoll 对象，在这个对象的红黑树里增、删、改对应的 socket 节点，绑定一个回调函数；
• epoll_wait() 轮询所有的回调集合，并完成对应的 IO 操作。相应分三步：
  • 阻塞线程
  • 内核查找红黑树中准备好的 socket，放入就绪链表 rdlist
  • 就绪列表中的内容复制到 events（从内核态复制到用户态），准备循环处理这些已就绪的 socket 节点

示例：

int fds[] = ...;
int efd = epoll_create(...); //内核态创建epoll实例（包含红黑树rbTree和就绪链表readyList）

for (int i=0; i<fds.count; i++) {
   epoll_ctl(efd, ..., fds[i], ...); //对红黑树操作，添加所有的socket节点
}
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];

while(true) {
   /*
  1.阻塞线程
2.内核查找红黑树中准备好的socket，放入就绪链表rdlist
3.就绪列表中的内容复制到events
   */
   int n=epoll_wait(efd, &events, ...);
   if (n>0) {
       for (i=0; i<n; i++) {
           events[i].data.fd; // 这里有所有需处理的socket，不需要像select和poll那样全部遍历
      }
  }
}

优点：

• 没有 fd 限制，所支持的 fd 上限时操作系统的最大文件句柄数，1G 内存大概支持 10 万个句柄；
• 效率高，采用回调通知而不是轮询的方式，即使 fd 数目增加，时间复杂度仍为 O(1)；
• 用户与内核空间基于一种内存映射文件的方法，使它们可以共享内存空间，减少文件从用户态移动到内核态带来的性能消耗。

LT 和 ET：

• LT，level triggered，水平触发，又叫条件触发。当被监控的 fd 上有可读写的事件时，epoll_wait() 会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完，那么下次调用 epoll_wait() 时，它还会通知你上次没有读写完的 fd，可继续读写。而且我们不需要读写的 fd，它也会一直通知你。
• ET，edge triggered，边缘触发。当被监控的 fd 上有可读写事件时，epoll_wait() 会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读完，下次将不再通知。
• 学过计算机组成原理的应该知道脉冲信号，其实 ET 和 LT 的原理和电信号的变化差不多。LT 就是只有高电平(1)或低电平(0)时才触发通知，只要在指定的状态上，就会得到通知；ET 是只有电平发生变化时(从高电平到低电平，或者从低到高)，才触发通知。

三者实践对比：

例如，100w 个连接，里面有 1w 个活跃连接。

select：不修改宏定义时，默认把 1024 个 fd 放到同一个进程。则需要 100w/1024 = 977 个进程才可以支持，会使得 CPU 性能特别差；

poll：没有最大文件描述符限制，100w 个连接则需要 100w 个 fd，遍历特别慢不说，还有空间拷贝还会消耗大量的资源；

epoll：请求进来时就创建 fd 并绑定一个回调地址，当活跃连接发起请求 IO 操作时，epoll_wait() 函数只需要遍历这 1w 个活跃连接，进行相应的额操作即可，既高效又不用做内存拷贝。