面试必备：对 select，poll，epoll 的详细解析


1 前言

select，poll，epoll 都是 IO 多路复用的机制。何为 IO 多路复用的机制？IO 多路复用的本质是通过一种机制，让单个进程可以监视多个描述符，当发现某个描述符就绪之后，能够通知程序进行相应的读写操作。

select，poll，epoll 都是同步 IO。所谓同步 IO，便是读写是阻塞的，需要在读写事件就绪后自己负责读写，而异步 IO 会把数据从内核拷贝到用户空间，并不需要自己负责读写。

select、poll 和 epoll 都是 Linux 提供的 IO 复用方式。

2 select

2.1 函数定义

我们来看一下 select 函数的定义：

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int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);

2.2 参数

select 函数的参数如下：

  1. int maxfdp1：待测试的文件描述字个数
  2. fd_set *readset , fd_set *writeset , fd_set *exceptset：fd_set 是一个集合，里面存放的是文件描述符，三个参数分别表示让内核测试读、写和异常条件的文件描述符集合。若对某一条件不感兴趣，可以将其设置为空指针
  3. const struct timeval *timeout ：告诉内核，等待所指定文件描述符集合中的任意一个就绪，一共可以花费多少时间

2.3 返回值

返回值类型为 int ，若有就绪描述符，则返回其数目，若超时则返回0，若出错则返回-1。

2.4 运行机制

我们上面提到过，传入的参数有一个 fd_set 集合，其实这是一个 long 类型的数组，数组元素能够与已经打开的文件句柄（例如 Socket 句柄，又或者其它文件）建立联系。

当我们调用 select 函数时，内核会根据 IO 状态对 fd_set 的内容进行修改，从而通知执行 select 函数的进程哪一个文件或者 Socket 是可读的。

select 函数与同步阻塞模型并无过多区别，甚至还多出了一部分操作（监视 socket /调用 select 函数），导致更低的效率。

2.5 优势

用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 IO 请求。用户可以注册多个 socket，然后调用 select 函数读取被激活的 socket，从而实现在同一个线程内同时处理多个 IO 请求，在这点上select 函数与同步阻塞模型不同，因为在同步阻塞模型中需要通过多线程才能达到这个目的。

话说回来，为啥我们不直接使用多进程/多线程技术，而是要使用 IO 多路复用技术呢?这是因为，使用 IO 多路复用技术，系统不必创建和维护进程/线程，从而节约了系统的开销。

2.6 缺点

  1. 调用 select 函数时，需要把 fd_set 集合从用户态拷贝到内核态，当 fd_set 集合很大时，这个开销将会非常巨大
  2. 调用 select 函数时，需要在内核遍历传递进来的所有 fd_set，当 fd_set 集合很大时，这个开销将会非常巨大
  3. 内核对被监控的 fd_set 集合大小做了限制

3 poll

讲解了 select 函数之后，相信各位读者对 poll 的理解便没有多大难度了。poll 的机制与 select 几乎相同，会对管理的描述符进行轮询操作，并根据描述符的状态进行相应的处理。

poll 将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个描述符对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有描述符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。

3.1 poll 与 select 的区别

select 函数中，内核对 fd_set 集合的大小做出了限制，大小不可变为1024；而 poll 函数中，并没有最大文件描述符数量的限制（基于链表存储）。

3.2 函数定义

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

3.3 参数

  1. struct pollfd *fds ：存放需要检测状态的 socket 描述符，调用 poll 函数后，fds 数组不会被清空。pollfd 结构体表示一个被监视的文件描述符，poll 函数会通过 fds 参数的传递来监视多个文件描述符
  2. nfds_t nfds ： 记录 fds 中描述符的总数量

3.4 返回值

返回值类型为 int ，返回 fds 集合中就绪的读、写或出错的描述符数量，若返回0则表示超时，若返回-1则表示出错。

4 epoll

epoll 是基于事件驱动的 IO 方式，与 select 相比，epoll 并没有描述符个数限制。

epoll 使用一个文件描述符管理多个描述符，它将文件描述符的事件放入内核的一个事件表中，从而在用户空间和内核空间的复制操作只用实行一次即可。

4.1 函数定义

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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);

各个函数的作用如下：

  1. epoll_create：创建一个 epoll 句柄，其中 size 表示内核要监听的描述符数量
  2. epoll_ctl：注册要监听的事件类型。在每次注册新的事件到 epoll 句柄中时，会把所有的描述符拷贝进内核，而不是在 epoll_wait 的时候重复拷贝。epoll 保证了每个描述符在整个过程中只会拷贝一次
  3. epoll_wait：等待事件的就绪，成功时返回就绪的事件数目

4.2 特点

epoll 是 poll 的增强版，在获取事件时，epoll 无需遍历整个被监听的描述符集，而是只需遍历被内核 IO 事件异步唤醒而加入 Ready 队列的描述符集合即可。因此，epoll 能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统 CPU 利用率。

epoll 会在 epoll_ctl 时为每个描述符指定一个回调函数，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描述符加入一个就绪链表。epoll_wait 实际上就是去就绪链表中查看有没有就绪的描述符。

4.3 优势

  1. 没有最大并发连接的限制
  2. 不采取轮询的方式，效率高，只会处理活跃的连接，与连接总数无关

4.4 两种模式

epoll 提供了两种模式，一种是水平触发，一种是边缘触发。边缘触发与水平触发相比较，可以使用户空间程序可能缓存 IO 状态，并减少 epoll_wait 的调用，从而提高应用程序的效率。

  1. 水平触发（LT）：默认工作模式，当 epoll_wait 检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件；等到下次调用 epoll_wait 时，会再次通知此事件
  2. 边缘触发（ET）：当 epoll_wait 检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用 epoll_wait 时，不会再次通知此事件

ET 模式减少了 epoll 事件的触发次数，其效率比 LT 模式下高。为什么呢？

如果我们使用 LT 模式的话，系统中一旦有大量不需要读写的就绪文件描述符，每次调用 epoll_wait 都会返回，大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率。如果使用的是 ET 模式，当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait 会通知处理程序去读写，如果这次没有把数据全部读写完，下次调用 epoll_wait 不会通知你，即它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你。在这种模式下，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符，故其效率较高。

5 总结

select，poll 需要自己不断轮询所有描述符集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。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，把就绪描述符放入就绪链表中，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描述符集合，而epoll在醒着的时候只要判断一下就绪链表是否为空即可，这就是回调机制带来的性能提升，节省了大量的 CPU 时间。

select，poll 每次调用都要将描述符集合从用户态往内核态拷贝一次，而 epoll 只需要一次拷贝即可。

6 select，poll，epoll 之间的对比

  1. IO 效率：select 只知道有 IO 事件发生，却不知道是哪几个流，只能采取轮询所有流的方式，故其具有 O(n) 的无差别轮询复杂度，处理的流越多，无差别轮询时间就越长；poll 与 select 并无区别，它的时间复杂度也是 O(n)；epoll 会将哪个流发生了怎样的 IO 事件通知我们（当描述符就绪时，系统注册的回调函数会被调用，将就绪描述符放到 readyList 里面），它是事件驱动的，其时间复杂度为 O(1)
  2. 操作方式：select 和 poll 都是采取遍历的方式，而 epoll 则是采取了回调的方式
  3. 底层实现：select 的底层实现为数组，poll 的底层实现为链表，而 epoll 的底层实现为红黑树
  4. 最大连接数：select 的最大连接数为 1024 或 2048，而 poll 和 epoll 是无上限的
  5. 对描述符的拷贝：select 和 poll 每次被调用时都会把描述符集合从用户态拷贝到内核态，而 epoll 在调用 epoll_ctl 时会拷贝进内核并保存，之后每次 epoll_wait 时不会拷贝
  6. 性能：epoll 在绝大多数情况下性能远超 select 和 poll，但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，因为 epoll 的通知机制需要很多函数回调

参考：IO多路复用的三种机制Select，Poll，Epoll
select、poll、epoll之间的区别(搜狗面试)