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select, poll, epoll区别详解(一)

2024-07-23 02:19:37   220人阅读

1 select函数

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

1.1 参数说明

    第一个参数nfds为fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一个位数组，其大小限制为__FD_SETSIZE（1024），位数组的每一位代表其对应的描述符是否需要被检查。
    第二三四个参数表示需要关注读、写、错误事件的文件描述符位数组，这些参数既是输入参数也是输出参数，可能会被内核修改用于标示哪些描述符上发生了关注的事件。所以每次调用select前都需要重新初始化fdset。
    第五个参数为超时时间，该结构会被内核修改，其值为超时剩余的时间。
    select对应于内核中的sys_select调用，sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核，然后对每个被SET的描述符调用进行poll，并记录在临时结果中（fdset），如果有事件发生，select会将临时结果写到用户空间并返回；当轮询一遍后没有任何事件发生时，如果指定了超时时间，则select会睡眠到超时，睡眠结束后再进行一次轮询，并将临时结果写到用户空间，然后返回。
    select返回后，需要逐一检查关注的描述符是否被SET(事件是否发生).

2 poll函数

struct pollfd {
  int fd;        //文件描述符 
  short events;  //要求检测的事件掩码
  short revents; //返回的事件掩码 
}
typedef unsigned long   nfds_t;

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
2.1 参数说明  
    poll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。
    第一个参数用于存放需要检测其状态的socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select() 函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因 此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况.
    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，来得知事件是否发生。
    第二个参数用于标记数组fds中的结构体元素的总数量。
    第三个参数是poll函数调用阻塞的时间，单位为毫秒。
2.2 返回值
    >0:     数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量.
    ==0:   数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的 socket描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么 poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发 生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去.
    -1:     poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno.

    如果待检测的socket描述符为负值，则对这个描述符的检测就会被忽略，也就是不会对成员变量events进行检测，在events上注册的事件也会被忽略，poll()函数返回的时候，会把成员变量revents设置为0，表示没有事件发生。
    另外，poll() 函数不会受到socket描述符上的O_NDELAY标记和O_NONBLOCK标记的影响和制约，也就是说，不管socket是阻塞的还是非阻塞 的，poll()函数都不会收到影响；而select()函数则不同，select()函数会受到O_NDELAY标记和O_NONBLOCK标记的影 响，如果socket是阻塞的socket，则调用select()跟不调用select()时的效果是一样的，socket仍然是阻塞式TCP通信，相反，如果socket是非阻塞的socket，那么调用select()时就可以实现非阻塞式TCP通信。
    所以poll() 函数的功能和返回值的含义与 select() 函数的功能和返回值的含义是完全一样的，两者之间的差别就是内部实现方式不一样，select()函数基本上可以在所有支持文件描述符操作的系统平台上运 行(如：Linux 、Unix 、Windows、MacOS等)，可移植性好，而poll()函数则只有个别的的操作系统提供支持(如：SunOS、Solaris、AIX、HP提供 支持，但是Linux不提供支持)，可移植性差。
2.3 事件标记
    经常检测的事件标记： POLLIN/POLLRDNORM(可读)、POLLOUT/POLLWRNORM(可写)、POLLERR(出错)。如果是对一个描述符上的多个事件感兴趣的话，可以把这些常量标记之间进行按位或运算。例如：对socket描述符fd上的读、写、异常事件感兴趣，就可以这样做：
        struct pollfd fds;
        fds[nIndex].events=POLLIN | POLLOUT | POLLERR；
    当 poll()函数返回时，要判断所检测的socket描述符上发生的事件，可以这样做： 
        struct pollfd fds;
        检测可读TCP连接请求：
        if((fds[nIndex].revents & POLLIN) == POLLIN){//接收数据/调用accept()接收连接请求} 
        检测可写：
        if((fds[nIndex].revents & POLLOUT) == POLLOUT){//发送数据}
        检测异常：
        if((fds[nIndex].revents & POLLERR) == POLLERR){//异常处理}
3 epoll函数
3.1 参数说明
    epoll主要包含epoll_create, epoll_ctl以及epoll_wait三个函数。
    epoll_create函数创建epoll文件描述符，参数size并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。当创建好epoll句柄后，会占用一个fd值，在linux下可以通过"cat /proc/进程id/fd/" 查看。因此在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
    使用例子：int epfd = epoll_create(int size);   
    epoll_ctl事件注册函数，控制对指定描述符fd执行op操作。
    第一个参数是epoll_create()的返回值； 
    第二个参数表示动作，使用如下三个宏来表示： 
        EPOLL_CTL_ADD //注册新的fd到epfd中； 
        EPOLL_CTL_MOD //修改已经注册的fd的监听事件； 
        EPOLL_CTL_DEL //从epfd中删除一个fd； 
    第三个参数是需要监听的fd。 
    第四个参数是告诉内核需要监听什么事件。events可以是下面几个宏的集合： 
        EPOLLIN //表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
        EPOLLOUT //表示对应的文件描述符可以写； 
        EPOLLPRI //表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
        EPOLLERR //表示对应的文件描述符发生错误； 
        EPOLLHUP //表示对应的文件描述符被挂断； 
        EPOLLET //将epoll设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
        EPOLLONESHOT //只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，
                                    //需要再次把这个socket加入到epoll队列里。
    当对方关闭连接(FIN), EPOLLERR，都可以认为是一种EPOLLIN事件，在read的时候分别有0，-1两个返回值。
    使用例子： 
        struct epoll_event ev; 
        ev.data.fd=listenfd;                 //设置与要处理的事件相关的文件描述符
        ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; //设置要处理的事件类型 
        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); //注册epoll事件
    epoll_wait等待epfd上的io事件，最多返回maxevents个事件。
    第一个参数是epoll_create()的返回值，即生成的epoll专用的文件描述符；
    第二个参数是用于回传代处理事件的数组；
    第三个参数是每次能处理的事件数，用于告诉内核这个events有多大，maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size；
    第四个参数是等待I/O事件发生的超时时间。单位是毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞。
    epoll_wait运行的原理是：等侍注册在epfd上的socket fd的事件的发生，如果发生则将发生的socket fd和事件类型放入到events数组中。并且将注册在epfd上的socket fd的事件类型给清空，所以如果下一个循环你还要关注这个socket fd的话，则需要用epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, listenfd, &ev)来重新设置socket fd的事件类型。这时不用EPOLL_CTL_ADD,因为socket fd并未清空，只是事件类型清空。这一步非常重要。
3.2 返回值
    epoll_create返回一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请一空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。
    epoll_ctl执行成功时返回0； 失败返回-1.
    epoll_wait返回需要处理的事件数目，若返回0则表示已超时。
3.3 与select/poll的区别
    在 select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一 个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait() 时便得到通知。
    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。其次，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。
3.4 epoll的优点
    1. 监视的描述符数量不受限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左 右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。select的最大缺点就是进程打开的fd是有数量限制的。这对 于连接数量比较大的服务器来说根本不能满足。虽然也可以选择多进程的解决方案( Apache就是这样实现的)，不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也 不是一种完美的方案。
    2. IO的效率不会随着监视fd的数量的增长而下降。epoll不同于select和poll轮询的方式，而是通过每个fd定义的回调函数来实现的。只有就绪的fd才会执行回调函数。
    3. 支持电平触发和边沿触发（只告诉进程哪些文件描述符刚刚变为就绪状态，它只说一遍，如果我们没有采取行动，那么它将不会再次告知，这种方式称为边缘触发）两种方式，理论上边缘触发的性能要更高一些，但是代码实现相当复杂。
    4. mmap加速内核与用户空间的信息传递。epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存，避免了无谓的内存拷贝。
3.5 epoll的模型
    EPOLL事件有两种模型 Level Triggered (LT) 和 Edge Triggered (ET)：
    LT(level triggered，水平触发模式)是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 non-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
    ET(edge-triggered，边缘触发模式)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，等到下次有新的数据进来的时候才会再次出发就绪事件。


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