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select poll与epoll

select,poll,epoll 都是 IO 多路复用的机制。I/O 多路复用就通过一种机制,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),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。

select的几大缺点

  1. 每次调用 select,都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态,这个开销在 fd 很多时会很大。
  2. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd,这个开销在fd很多时也很大。
  3. select 支持的文件描述符数量太小了,默认是 1024。

poll实现

poll 的实现和 select 非常相似,只是描述 fd 集合的方式不同,poll 使用 pollfd 结构而不是 select 的 fd_set 结构,其他的都差不多。

epoll

epoll 既然是对 select 和 poll 的改进,就应该能避免上述的三个缺点。那 epoll 都是怎么解决的呢?在此之前,我们先看一下 epoll 和 select 和 poll 的调用接口上的不同,select 和 poll 都只提供了一个函数——select 或者 poll 函数。

而 epoll 提供了三个函数,epoll_create,epoll_ctl 和 epoll_wait,epoll_create 是创建一个 epoll 句柄;epoll_ctl 是注册要监听的事件类型;epoll_wait 则是等待事件的产生。

对于第一个缺点,epoll 的解决方案在 epoll_ctl 函数中。每次注册新的事件到 epoll 句柄中时(在 epoll_ctl 中指定 EPOLL_CTL_ADD),会把所有的 fd 拷贝进内核,而不是在 epoll_wait 的时候重复拷贝。epoll 保证了每个 fd 在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点,epoll 的解决方案不像 select 或 poll 一样每次都把 current 轮流加入 fd 对应的设备等待队列中,而只在 epoll_ctl 时把 current 挂一遍(这一遍必不可少)并为每个 fd 指定一个回调函数,当设备就绪,唤醒等待队列上的等待者时,就会调用这个回调函数,而这个回调函数会把就绪的 fd 加入一个就绪链表)。

epoll_wait 的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的 fd(利用 schedule_timeout() 实现睡一会,判断一会的效果,和 select 实现中的第 7 步是类似的)。

对于第三个缺点,epoll 没有这个限制,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 查看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

总结

select,poll 实现需要自己不断轮询所有 fd 集合,直到设备就绪,期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而 epoll 其实也需要调用 epoll_wait 不断轮询就绪链表,期间也可能多次睡眠和唤醒交替,但是它是设备就绪时,调用回调函数,把就绪 fd 放入就绪链表中,并唤醒在 epoll_wait 中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替,但是 select 和 poll 在 “醒着” 的时候要遍历整个 fd 集合,而 epoll 在 “醒着” 的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了,这节省了大量的 CPU 时间。这就是回调机制带来的性能提升。

select,poll 每次调用都要把 fd 集合从用户态往内核态拷贝一次,并且要把 current 往设备等待队列中挂一次,而 epoll 只要一次拷贝,而且把 current 往等待队列上挂也只挂一次(在 epoll_wait 的开始,注意这里的等待队列并不是设备等待队列,只是一个 epoll 内部定义的等待队列)。这也能节省不少的开销。

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