【Linux】【网络】IO多路复用 select、poll、epoll

【Linux】【网络】IO多路复用 select、poll、epoll

IO 多路复用

进程或线程同时监控多个文件描述符，查看描述符上是否有事件发生，从而提高资源利用率和系统吞吐量。

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1. select

int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct ti
meval *timeout);

• 返回值代表多少个文件描述符上有事件

• int maxfd 被监听的文件描述符的总数

• fd_set *readfds 读事件

• fd_set *writefds 写事件

• fd_set *exceptfds 异常事件

• struct timeval *timeout 超时时间

• 基本原理

  • 使用固定大小的 fd_set（集合类型），每个位代表一个文件描述符。 最多能够监听1024个文件描述符
  • 每次使用时，应用程序都需要将需要监控的文件描述符添加到fd_set集合中，然后调用系统调用 select()。
  • 内核在超时时间内轮询 fd_set，当检测到某个文件描述符发生指定的 I/O 事件（select只有可读、可写、异常）时，返回就绪的文件描述符集合。

• 工作流程

  1. 应用程序将需要监控的 fd 添加到 fd_set 通过**FD_SET()**设置对应的位中，并设置超时时间。
  2. 调用 select() 后，内核遍历整个 fd_set，检查每个文件描述符的状态。
  3. 如果有文件描述符处于就绪状态，select() 返回 fd_set中有事件的位为1 通过**FD_ISSET()**轮询检测；否则在超时后返回

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2.poll

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

• pollfd *fds pollfd结构体数组指针
• nfds_t nfds 结构体数组指针指向数组的元素个数
• int timeout 超时时间

struct pollfd
{
int fd; // 文件描述符
short events; // 注册的关注事件类型  每一位可以代表一个类型 因此最多检测16个事件
short revents; // 实际发生的事件类型，由内核填充
};

• fd 成员指定文件描述符
• events 成员告诉 poll 监听 fd 上的哪些事件类型。它是一系列事件的按位&
• revents 成员则由内核修改，通知应用程序 fd 上实际发生了哪些事件
• 基本原理
  • poll 使用一个 pollfd 数组来描述需要监控的文件描述符及其关注的事件， 结构体数组可以开辟的很大，不受1024的限制
  • 事件类型可以更多
  • 事件和描述符封装在一起
• 工作流程
  1. 应用程序填充一个 pollfd 数组，每个元素记录文件描述符和关注的事件（如 POLLIN、POLLOUT）。
  2. 调用 poll() 后，内核遍历数组，检查每个 fd 的状态。
  3. poll() 返回就绪的文件描述符个数，并通过 pollfd 数组的 revents 字段告知应用程序哪些事件发生了。

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3.epoll

• epoll 使用一组函数来完成任务，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描述符或事件集。

• 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内核事件表

• epoll_create()用于创建内核事件表

• epoll_ctl()用于操作内核事件表

• epoll_wait()用于在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件 //可能阻塞

• 基本原理

  • epoll 是 Linux 特有的机制，其设计目标是高效处理大规模文件描述符。
  • epoll 将所有注册的文件描述符存储在内核内部的数据结构中（通常采用红黑树管理所有注册项），并维护一个就绪队列用于保存触发事件的 fd。
  • 应用程序通过 epoll_ctl() 添加、修改或删除文件描述符，通过 epoll_wait() 获取就绪事件。

• 数据结构

  • 红黑树（rbtree）：存储所有已注册的文件描述符（epitem），便于快速查找、添加和删除操作，时间复杂度 O(log N)。
  • 就绪链表（ready list）：存储已经触发事件的 epitem，当调用 epoll_wait() 时，内核直接返回这个就绪链表中记录的文件描述符，时间复杂度与就绪 fd 数量相关，通常远小于所有注册 fd 数量。

• 支持两种触发模式：

  • 水平触发（Level Triggered, LT）：类似 poll，每次调用 epoll_wait() 都返回当前就绪的 fd。
  • 边缘触发（Edge Triggered, ET）：仅在状态变化时通知，必须在一次性读取完数据，否则不会重复通知。

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4.性能比较

特性	select	poll	epoll
文件描述符数量限制	受 FD_SETSIZE 限制（通常 1024 个）	无固定限制，但效率随数组长度线性下降	支持大量文件描述符，效率依赖于就绪事件数量
每次检查是否需要重新将数据拷贝给内核	是	是	否
扫描方式	线性遍历整个 fd_set	线性遍历 pollfd 数组	内核通过红黑树查找 + 就绪链表遍历
内核检测就绪描述符时间复杂度	O(N)	O(N)	O(1)
查找就绪描述符时间复杂度	O(N)	O(N)	O(1)
触发模式	仅支持水平触发	仅支持水平触发	支持水平触发和边缘触发
平台支持	POSIX 标准，跨平台支持	POSIX 标准，跨平台支持	仅 Linux 支持

后续会详细写一下epoll 每个函数 以及内核实现方式 因为这个比较重要 以及libevent底层也是epoll