Linux 中的poll、select和epoll有什么区别？

poll 和 select 是Linux 系统中用于多路复用 I/O 的系统调用，它们允许一个程序同时监视多个文件描述符，以便在任何一个文件描述符准备好进行 I/O 操作时得到通知。

一、select

select 是一种较早的 I/O 多路复用机制，具有以下特点：

1. 接口：

   • select 使用三个文件描述符集合（读、写、异常）来监视文件描述符的状态。

   • 函数签名为：

     int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
     

   • nfds 是需要监视的文件描述符的数量（通常是最大文件描述符加一）。

   • fd_set 是一个位图结构，用于表示文件描述符集合。

   • timeout 指定等待事件发生的超时时间。

2. 限制：

   • select 的文件描述符数量受到 FD_SETSIZE 的限制，通常为 1024。这意味着它不适合处理非常大量的并发连接。

3. 效率：

   • 每次调用 select 都需要重新初始化文件描述符集合，因此在处理大量文件描述符时效率较低。

4. 可移植性：

   • select 是 POSIX 标准的一部分，因此在许多操作系统上都可用。

select 示例：同时监视多个文件描述符的 I/O 事件

这个例子展示了如何使用 select 来监视两个文件描述符：标准输入（通常是终端输入）和一个网络套接字。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd, newsockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t clilen;char buffer[BUFFER_SIZE];fd_set readfds;int maxfd;// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服务器地址结构memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 监听if (listen(sockfd, 5) < 0) {perror("listen failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 接受一个连接clilen = sizeof(cliaddr);newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);if (newsockfd < 0) {perror("accept failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}while (1) {// 清空文件描述符集合FD_ZERO(&readfds);// 将标准输入和新套接字添加到集合中FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);FD_SET(newsockfd, &readfds);maxfd = (STDIN_FILENO > newsockfd) ? STDIN_FILENO : newsockfd;// 使用 select 监视if (select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL) < 0) {perror("select error");break;}// 检查标准输入是否有数据if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {if (fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {printf("Input from stdin: %s", buffer);}}// 检查套接字是否有数据if (FD_ISSET(newsockfd, &readfds)) {int n = read(newsockfd, buffer, BUFFER_SIZE);if (n <= 0) {printf("Client disconnected\n");break;}buffer[n] = '\0';printf("Received from client: %s", buffer);}}close(newsockfd);close(sockfd);return 0;
}

二、poll

poll 是 select 的改进版本，提供了一些更灵活的特性：

1. 接口：

   • poll 使用一个结构体数组来监视文件描述符的状态。

   • 函数签名为：

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

   • pollfd 结构体包含文件描述符及其感兴趣的事件。

   • timeout 以毫秒为单位，指定等待事件发生的超时时间。

2. 无数量限制：

   • poll 不受 FD_SETSIZE 限制，因此可以监视的文件描述符数量仅受系统资源的限制。

3. 效率：

   • 由于 poll 使用数组而不是位图，每次调用不需要重新初始化整个集合，但仍然需要扫描整个数组，因此在处理非常大量文件描述符时效率也受到限制。

4. 事件类型：

   • poll 可以监视更多类型的事件，如挂起和优先级数据。

poll 示例：监视标准输入和一个网络套接字

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sockfd, newsockfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t clilen;char buffer[BUFFER_SIZE];struct pollfd fds[2];// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服务器地址结构memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 监听if (listen(sockfd, 5) < 0) {perror("listen failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 接受一个连接clilen = sizeof(cliaddr);newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);if (newsockfd < 0) {perror("accept failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 设置 poll 文件描述符fds[0].fd = STDIN_FILENO;fds[0].events = POLLIN;fds[1].fd = newsockfd;fds[1].events = POLLIN;while (1) {// 使用 poll 监视int ret = poll(fds, 2, -1);if (ret < 0) {perror("poll error");break;}// 检查标准输入是否有数据if (fds[0].revents & POLLIN) {if (fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {printf("Input from stdin: %s", buffer);}}// 检查套接字是否有数据if (fds[1].revents & POLLIN) {int n = read(newsockfd, buffer, BUFFER_SIZE);if (n <= 0) {printf("Client disconnected\n");break;}buffer[n] = '\0';printf("Received from client: %s", buffer);}}close(newsockfd);close(sockfd);return 0;
}

三、epoll

epoll 是 Linux 内核提供的一种高效的 I/O 事件通知机制，用于处理大量文件描述符的事件。它是 poll 和 select 系统调用的改进版本，专为解决在处理大量并发连接时的性能问题而设计

epoll 的主要特点包括：

1. 高效性：与 select 和 poll 不同，epoll 不需要在每次调用时重新传递所有的文件描述符集。它通过一个文件描述符来管理感兴趣的事件，减少了内核和用户空间之间的数据拷贝。
2. 水平触发和边缘触发：epoll 支持两种触发模式。水平触发（Level-Triggered）模式类似于 select 和 poll 的工作方式，而边缘触发（Edge-Triggered）模式则更加高效，但也更复杂，需要更仔细的事件处理。
3. 支持大规模连接：epoll 能够更好地处理大规模并发连接，因此非常适合用在高性能服务器应用中，如网络服务器或代理服务器。
4. 事件注册和监听分离：通过 epoll_ctl 可以动态地添加、修改或删除监听的文件描述符，而 epoll_wait 用于等待事件的发生。

使用 epoll 通常涉及三个主要的系统调用：

• epoll_create：创建一个 epoll 实例。
• epoll_ctl：注册、修改或删除感兴趣的事件。
• epoll_wait：等待事件的发生并获取事件列表。

epoll 是 Linux 特有的 I/O 多路复用机制，专为处理大量并发连接而设计。与 select 和 poll 相比，epoll 更高效，因为它在内核中维护一个事件表，避免了每次调用都需要重新传递完整的文件描述符集合。

应用示例：监视标准输入和一个网络套接字。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024
#define MAX_EVENTS 10int main() {int sockfd, newsockfd, epollfd;struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t clilen;char buffer[BUFFER_SIZE];struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];int nfds;// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化服务器地址结构memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;servaddr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {perror("bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 监听if (listen(sockfd, 5) < 0) {perror("listen failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 创建 epoll 实例epollfd = epoll_create1(0);if (epollfd == -1) {perror("epoll_create1 failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 将监听套接字添加到 epoll 实例中ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: sockfd");close(sockfd);close(epollfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 将标准输入添加到 epoll 实例中ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = STDIN_FILENO;if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: stdin");close(sockfd);close(epollfd);exit(EXIT_FAILURE);}while (1) {// 等待事件发生nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);if (nfds == -1) {perror("epoll_wait failed");break;}for (int n = 0; n < nfds; ++n) {if (events[n].data.fd == sockfd) {// 处理新连接clilen = sizeof(cliaddr);newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);if (newsockfd == -1) {perror("accept failed");continue;}// 将新连接添加到 epoll 实例中ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = newsockfd;if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, newsockfd, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: newsockfd");close(newsockfd);continue;}} else if (events[n].data.fd == STDIN_FILENO) {// 处理标准输入if (fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {printf("Input from stdin: %s", buffer);}} else {// 处理来自客户端的数据int n = read(events[n].data.fd, buffer, BUFFER_SIZE);if (n <= 0) {if (n == 0) {printf("Client disconnected\n");} else {perror("read error");}close(events[n].data.fd);} else {buffer[n] = '\0';printf("Received from client: %s", buffer);}}}}close(sockfd);close(epollfd);return 0;
}

解释

1. 创建套接字：首先创建一个 TCP 套接字并绑定到指定端口，然后开始监听连接。
2. 创建 epoll 实例：使用 epoll_create1 创建一个新的 epoll 实例。
3. 注册文件描述符：将监听套接字和标准输入文件描述符注册到 epoll 实例中，以便监视它们的可读事件。
4. 事件循环：使用 epoll_wait 等待事件发生。当有事件发生时，检查是哪种事件并进行相应处理：
   • 如果是监听套接字有事件，表示有新连接到达，使用 accept 接受连接并将新套接字注册到 epoll 实例中。
   • 如果是标准输入有事件，读取输入并处理。
   • 如果是客户端套接字有事件，读取数据并处理。
5. 清理：在程序结束时关闭所有打开的文件描述符。

四、总结

poll和select机制

• 用户空间到内核空间的拷贝：每次调用 select 或 poll 时，用户必须将所有需要监视的文件描述符列表传递给内核。这意味着每次调用都需要将这些数据从用户空间复制到内核空间，这在监视大量文件描述符时效率较低。
• 线性扫描：内核需要扫描所有文件描述符以确定哪些文件描述符有事件发生。这种线性扫描在文件描述符数量很大时效率不高。

epoll机制

• 内核维护事件表：epoll 通过 epoll_create 创建一个 epoll 实例，这个实例在内核中维护一个事件表。这个表记录了所有已经注册的文件描述符及其感兴趣的事件类型。
• 增量更新：通过 epoll_ctl，用户可以增量地添加、修改或删除文件描述符及其感兴趣的事件。这意味着用户只需要在文件描述符集合发生变化时进行更新，而不是每次等待事件时都传递整个集合。
• 事件驱动：epoll_wait 返回的不是所有文件描述符的状态，而是已经准备好进行 I/O 操作的文件描述符列表。这使得 epoll 在处理大量文件描述符时更加高效，因为它只返回有事件的文件描述符。

在 select/poll 中，每次都需要将完整的文件描述符集合传递给内核，而 epoll 通过维护一个事件表，只在有事件发生时通知用户空间，从而提高了效率