IO多路复用 select() poll() epoll()

select()，poll()，epoll()都是I/O多路复用的机制。I/O多路复用通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪，就是这个文件描述符进行读写操作之前），能够通知程序进行相应的读写操作。但select()，poll()，epoll()本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

与多线程和多进程相比，I/O 多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程。

select

• 监视并等待多个文件描述符的属性变化（可读、可写或错误异常）
• select()函数监视的文件描述符分 3 类，分别是writefds、readfds、和 exceptfds
• 调用后 select() 函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有错误异常），或者超时（ timeout 指定等待时间），函数才返回
• 当 select()函数返回后，可以通过遍历 fdset，来找到就绪的描述符

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

参数：

• nfds: 要监视的文件描述符的范围，一般取监视的描述符数的最大值+1，如这里写 10， 这样的话，描述符 0，1, 2 …… 9 都会被监视，在 Linux 上最大值一般为1024
• readfd: 监视的可读描述符集合，只要有文件描述符即将进行读操作，这个文件描述符就存储到这
• writefds: 监视的可写描述符集合
• exceptfds: 监视的错误异常描述符集合
• timeout：超时时间，它告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数

这个参数有三种可能：       

          1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好 I/O 时才返回。为此，把该参数设置为空指针 NULL。

2）等待固定时间：在指定的固定时间内（timeval 结构中指定的秒数和微秒数）内，在有一个描述字准备好 I/O 时返回，如果时间到了，就算没有文件描述符发生变化，这个函数会返回 0。

3）根本不等待（不阻塞）：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，struct timeval变量的时间值指定为 0 秒 0 微秒，文件描述符属性无变化返回 0，有变化返回准备好的描述符数量。

返回值：

成功：就绪描述符的数目，超时返回 0，

出错：-1

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 */
           };

• 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。

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);

• 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。epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数
• 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。

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

1、 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。

      一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：

       当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll：

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：

1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。                                                                                                                                      2、poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll:

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知

epoll的优点：

1、支持一个进程所能打开的最大连接数

2、FD剧增后带来的IO效率问题

3、 消息传递方式

总结：

综上，在选择select，poll，epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特点。

1、表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

2、select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善