Linux—I/O复用---select、poll、epoll

目录

1. select

2. poll

3. epoll

4、数据复制情况分析

（1）select 和 poll

（2）epoll

5、代码示例： 

（1）select 函数的简单 TCP 服务器，用于处理多个客户端的连接和数据收发代码：

代码功能概述

代码结构分析

1. 函数定义

2. main 函数

（2）poll实现代码：

（3）epoll代码示例：

不理解的代码： 

epoll_ctl 函数概述

函数原型：

参数说明

工作模式（面试问区别）： 

水平触发（Level Triggered，LT）

定义

特点

示例场景

边缘触发（Edge Triggered，ET）

定义

特点

示例场景

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 （1）I/O复用是什么？

I/O 复用是一种同步 I/O 模型，它允许应用程序在多个 I/O 事件（如读、写事件）上进行监听，并在这些事件发生时得到通知，从而能够高效地处理多个 I/O 操作，而无需为每个 I/O 操作创建一个单独的线程或进程。

有数据的优先处理。 

Linux中如何处理I/O服用：

select、poll、epoll 

• select 和 poll 是比较传统的 I/O 复用机制，具有较好的跨平台性，但在处理大量文件描述符时性能较差。
• epoll 是 Linux 特有的高效 I/O 复用机制，适用于处理大量并发连接的场景，性能优于 select 和 poll。

1. select

• 原理：select 函数会监视多个文件描述符的集合，程序会将需要监视的文件描述符添加到对应的集合（读集合、写集合、异常集合）中，然后调用 select 函数进行阻塞等待。当集合中的某个文件描述符上有对应的事件发生（如可读、可写、异常），select 函数会返回，同时修改集合以指示哪些文件描述符上有事件发生。
• 优点：具有良好的跨平台性，几乎所有的类 Unix 系统都支持。
• 缺点：
  • 支持的文件描述符数量有限，通常默认最大为 1024。
  • 每次调用 select 时都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，开销较大。
  • 需要遍历整个文件描述符集合来确定哪些文件描述符上有事件发生，时间复杂度为 O(n)。

2. poll

• 原理：poll 函数与 select 类似，也是用于监视多个文件描述符的事件。它使用一个 pollfd 结构体数组来指定要监视的文件描述符和对应的事件，然后调用 poll 函数进行阻塞等待。当有事件发生时，poll 函数会返回，并在 pollfd 结构体中标记哪些文件描述符上有事件发生。
• 优点：
  • 没有文件描述符数量的限制。
  • 不需要像 select 那样每次调用都重新设置文件描述符集合，使用起来相对方便。
• 缺点：
  • 仍然需要将 pollfd 结构体数组从用户空间复制到内核空间，有一定的开销。
  • 同样需要遍历 pollfd 结构体数组来确定哪些文件描述符上有事件发生，时间复杂度为 O(n)。

3. epoll

• 原理：epoll 是 Linux 特有的 I/O 复用机制，它通过 epoll_create 创建一个 epoll 实例，然后使用 epoll_ctl 函数向该实例中添加、修改或删除要监视的文件描述符和对应的事件。最后，使用 epoll_wait 函数进行阻塞等待，当有事件发生时，epoll_wait 函数会返回，并将有事件发生的文件描述符信息存放在一个数组中。
• 优点：
  • 采用事件驱动机制，只返回有事件发生的文件描述符，避免了遍历整个文件描述符集合，时间复杂度为 O(1)。
  • 内核和用户空间之间的数据传输采用了内存映射的方式，减少了数据复制的开销。
  • 支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）两种模式，边缘触发模式可以进一步提高效率。
• 缺点：
  • 只在 Linux 系统上可用，不具备跨平台性。

poll和select 实现都是以轮询的方式，时间复杂度是O(n)；

epoll ：内核实现以 注册回调函数实现，时间复杂度O(1)； 

epoll_create : 创建内核事件表-----收集描述符------本质是红黑树

epoll_ctl：向内核事件表中添加、移除、修改描述符（加、删、改红黑树节点）

epoll_wait：获取就绪描述符-------从就绪队列中获取

epoll：相当于直接告诉程序取谁的数据，谁的数据就绪，select、poll要进行遍历，看谁的事件就绪了。

epoll：存放描述符的数据结构定义在内核空间，描述符从用户空间往内核空间只需要copy一次，而select、poll，是每一轮循环都要把描述符从用户空间往内核空间copy一次。

4、数据复制情况分析

（1）select 和 poll

• 工作原理：在使用 select 或 poll 时，每次调用 select 或 poll 函数时，都需要将需要监听的文件描述符集合从用户空间复制到内核空间。这是因为 select 和 poll 函数是通过将文件描述符集合传递给内核，让内核去检查这些描述符上的事件状态。
• 复制次数：由于每次调用 select 或 poll 函数都需要传递文件描述符集合，因此在每一轮循环中，都需要将描述符从用户空间复制到内核空间。这种频繁的数据复制会带来一定的性能开销，尤其是当需要监听的文件描述符数量较多时，性能问题会更加明显。

（2）epoll

• 工作原理：epoll 使用 epoll_ctl 函数来管理文件描述符，该函数会将文件描述符添加到内核中的红黑树中。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，用于高效地存储和查找文件描述符。一旦文件描述符被添加到红黑树中，就不需要再次复制到内核空间。当有事件发生时，内核会将就绪的文件描述符添加到就绪队列中，应用程序通过 epoll_wait 函数从就绪队列中获取就绪的文件描述符。
• 复制次数：epoll 只需要在使用 epoll_ctl 函数添加文件描述符时，将描述符从用户空间复制到内核空间一次。后续的 epoll_wait 函数调用不需要再次复制描述符，因为内核已经在红黑树中存储了这些描述符。这种设计减少了数据复制的次数，提高了性能。

5、代码示例： 

（1）select 函数的简单 TCP 服务器，用于处理多个客户端的连接和数据收发代码：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<time.h>
#include<sys/select.h>#define MAXFD 10
int socket_init();void fds_init(int fds[])
{for(int i= 0; i < MAXFD ;i++){fds[i] = -1; //-1 reset为空}
}void fds_add(int fds[],int fd)
{