I/O多路复用(select、poll、epoll)

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1. select

① select函数

• select函数允许监视一组文件描述符，等待一个或多个描述符成为就绪状态，从而完成I/O操作。
• select函数的原型如下：

#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>
int select(int maxfdpl, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

1. maxfdpl： 指定监视的描述符个数，值为最大描述符加1，即max fd plus one。
2. fd_set： 通常是一个整数数组，整数中的每一位对应一个描述符。<sys/select.h>中的常数FD_SETSIZE是fd_set中描述符的总数，32位系统中FD_SETSIZE我1024，64位系统中FD_SETSIZE为2048。fd_set有三种描述符集：reedset（读描述符集）、writeset（写描述符集）、exceptset（异常描述符集）。如果对某个描述符集不感兴趣，可以将该描述符集设置为null。
3. timeout： 超时参数，数据类型为timeval，调用select函数会一直阻塞直到有描述符就绪或等待的时间超过timeout。超时参数三种设置：设置为null，表示永久等待，直到有描述符就绪；设置为某个整数，表示等待一段时间；设置为0，表示select函数立即返回，即采用轮询方式。
4. 如有描述符就绪，select函数返回描述符就绪的个数；若等待超时，select函数返回0；运行出错，select函数返回-1。

• timeout的数据结构是timeval，两个参数如下：

struct timeval{
	long tv_sec; // 单位秒
	long tv_usec; // 单位微妙
}

② 对描述符集的操作

• 低水位标记：

1. 接收缓冲区低水位标记：规定接收缓冲区最少有多少数据时，可以从接收缓冲区中读取数据。
2. 发送缓冲区低水位标记：规定发送缓冲区最少有多少剩余空间时，可以向发送缓冲区写数据。
3. 可以通过SO_RCVLOWAT套接字选项设置接收缓冲区的低水位标记，默认为1。
4. 可以通过SO_SNDLOWAT套接字选项设置发送缓冲区的低水位标记，默认为2048。

• 对描述符集的操作：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); // 清除fdset中的所有位
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset);  // 打开dfset中fd位
void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset);  //清除fdset中的fd位
int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset);   // 检查fdset中的fd位是否被置位

• select函数的使用举例：

1. 通过FD-ZERO()函数，将描述符集清零。
2. 通过FD_SET()函数，将描述符集中的fd位。
3. 通过比较多个fd值得大小，确定maxfdpl的值。
4. 设置timeout参数，然后调用select函数。如果对某个描述符集不感兴趣，将其置为null。
5. select函数的返回为0表示超时，-1表示出错；大于0则可以通过FD_ISSET()函数检测是否为某个fd就绪。

fd_set fd_in, fd_out;
struct timeval tv;
// Reset the sets
FD_ZERO( &fd_in );
FD_ZERO( &fd_out );
// Monitor sock1 for input events
FD_SET( sock1, &fd_in );
// Monitor sock2 for output events
FD_SET( sock2, &fd_out );
// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;
// Wait up to 10 seconds
tv.tv_sec = 10;
tv.tv_usec = 0;
// Call the select
int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );
// Check if select actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
        // input event on sock1
    if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
        // output event on sock2
}

③ select函数的优缺点

• 优点： 可移植性好，几乎所有的平台都支持select函数。
• 缺点：

1. 能打开的fd数量有限： 操作符集中fd总数由内核中FD_SETSIZE常量决定，32位系统为1024，64位系统为2048。对于有大量连接的服务器来说，fd的数量根本不能满足需求。如果要增大FD_SETSIZE的值，需要重新编译内核。
2. 查询就绪fd的开销大： select函数返回大于0时，需要遍历指定的fd，查询哪些fd已就绪。
3. 用户态与内核态之间复制描述符的开销比较大。

2. poll

① poll函数

• poll函数与select函数的功能一样，监视一组描述符，等待其中一个或多个描述符成为就绪状态，从而完成I/O操作。
• poll函数的原型如下：

int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned int nfds, int timeout);

1. fdarray： 指向pollfd数组的指针，pollfd中存储了描述符。
2. nfds： pollfd数组的大小，即要监听的描述符个数。
3. timeout： 超时参数，数据类型为int，poll函数一直阻塞直到有描述符就绪或等待的时间超时。timeout参数为负值，表示poll函数一直阻塞直到有描述符就绪；timeout大于0，表示等待一段时间；timeout为0，表示立即返回，需要通过轮询监视描述符状态。
4. 如果有描述符就绪，poll函数返回就绪的描述符个数；如果等待超时，poll函数返回0；如果发生错误，poll函数返回-1。

• poll函数的使用举例：

// The structure for two events
struct pollfd fds[2];
// Monitor sock1 for input
fds[0].fd = sock1;
fds[0].events = POLLIN;
// Monitor sock2 for output
fds[1].fd = sock2;
fds[1].events = POLLOUT;
// Wait 10 seconds
int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
// Check if poll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
    if ( fds[0].revents & POLLIN )
        fds[0].revents = 0;
        // input event on sock1
    if ( fds[1].revents & POLLOUT )
        fds[1].revents = 0;
        // output event on sock2
}

② pollfd数据结构

• 关于pollfd结构：

struct pollfd{
	int fd;  // 监听的描述符
	short events; // 该描述符要监听的事件
	short revents; // 该描述符上发生的事件
}

1. 在poll函数中，不再使用fd_set存储描述符，而是将描述符封装成pollfd结构，使用pollfd数组存储描述符。
2. pollfd包含描述符、该描述符监听的事件、该描述符上发生的事件。
3. 针对读描述符、写描述符、异常描述符，pollfd定义了不同的事件分别对应不同种类的描述符。
4. 如果不想再关心fdarray中的某个描述符，可以将其pollfd中的fd设置为负数，poll函数将忽略其events成员，返回时将revnets成员的值设置为0。

③ poll函数与select函数的比较

• 相同点：

1. 功能： select和poll函数都可以对一组描述符进行监听，等待其中的一个或某些描述符就绪，从而完成I/O操作。
2. 轮询： select函数和poll函数都需要通过轮询获取已就绪的描述符。
3. 开销大： select函数poll函数的速度都比较慢，因为需要在用户态和内核态之间复制描述符，导致开销比较大。
4. 非线程安全： 如果一个线程对某个描述符调用了select或者poll函数，另一个线程关闭了该描述符，会导致调用结果不确定。

• 不同点：

1. 描述符数量： select函数的描述符数量受内核中FD_SETSIZE常量的限制，而poll函数没有描述符数量的限制。
2. 可移植性： select函数被几乎所有的平台支持，而poll函数只有比较新的平台支持。
3. 修改描述符： select函数会修改描述符，poll函数不会。
4. 利用率： poll函数提供了更多的事件类型，对描述符的重复利用比select函数高。

3. epoll

① epoll函数族

• epoll不在是一个函数，而是一个函数族。并且，epoll句柄本身将占用一个描述符。
• epoll函数族如下：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout);

• epoll_create函数：

1. 创建一个epoll句柄，会占用一个描述符，简写为epfd。
2. 使用完epoll后，必须通过close() 进行关闭。
3. 参数size： 告诉内核需要监听的描述符数量，但不是最大数量，而是初始分配数据结构时的一个建议。

• epoll_ctl函数：对描述符fd执行操作op。

1. EPOLL_CTL_ADD： 注册新的fd到epfd中，即向内核注册新的描述符。
2. EPOLL_CTL_DELETE： 从epfd中删除一个fd，即从内核中删除一个描述符。
3. EPOLL_CTL_MOD： 修改已注册fd的监听事件为event。
4. 监听事件event中，有个EPOLLET的宏，设置epoll为边缘触发，默认是水平触发（LT）。

• epoll_wait函数：等待epoll句柄上的I/O事件，最多返回maxevents个事件

② 工作模式

• epoll的描述符事件有两种触发方式：水平触发（LT）和边缘触发（ET）。
• 水平触发（LT）：

1. epoll_wait()函数检测到描述符事件发生时，会将此事件通知应用进程。
2. 应用进程可以不必立即进行处理，下次调用epoll_wait()函数会再次通知应用进程。
3. 默认为水平触发，支持阻塞和非阻塞模式。

• 边缘触发（ET）：

1. epoll_wait()函数检测到描述符事件的发生，会将此事件通知应用进程。
2. 应用进程必须立即进行处理，如果不处理，下次调用epoll_wait()函数不会再次通知应用进程。
3. 边缘触发只支持非阻塞模式，以避免对一个描述符的阻塞读/写操作将处理多个描述符的任务饿死。
4. ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，效率比LT模式高。

③ epoll与select/poll的比较

• 从描述符数量、是否需要轮询、可移植性、线程安全、开销、触发方式、速度对三者进行比较：

1. 描述符数量： epoll比select和poll更加灵活，而且没有描述符数量的限制。
2. 轮询： select和poll需要对描述符进行轮询，以获取就绪的描述符；而epoll直接获得只有就绪描述符的链表，无需轮询。
3. 开销： select和poll每次调用需要将全部描述符从应用进程缓冲区拷贝到内核缓冲区，而epoll只需要拷贝一次。
4. 可移植性： 几乎所有的平台都支持select，较新的平台支持poll，而只有Linux操作系统支持epoll。
5. 线程安全： 在一个线程中某个描述符调用select或poll方法，在另一个线程中关闭该描述符，到导致调用的结果将不确定；而epoll对多线程编程的支持较好，在一个线程中调用了epoll_wait()方法，在另一个线程中关闭同一个描述符，也不会出现结果不确定的情况。
6. 触发方式： select和poll都只支持水平触发，而epoll还支持更高效的边缘触发。
7. 速度： 只有在连接数较多且活跃连接较少的情况，才能体现epoll的高效；如果连接数较少且都十分活跃，select和epoll的速度差距并不大，甚至select和poll的性能可能会更好。

④ 三者的选择

• select的应用场景：

1. select的timeout参数精度为us，而poll和epoll为ms。select更加适合对实时性要求高的场景，比如核反应堆的控制。
2. select的可移植性更好，几乎所有的平台都支持select。

• poll的应用场景：

1. poll没有描述符限制，如果对实时性要求不高，应该选择poll而不是select。

• epoll的应用场景：

1. epoll只能运行在Linux平台上，而且要求连接数较多，最好是长连接的情况（最好超过1000个）。