select，poll，epoll都是IO多路復(fù)用的機(jī)制。所謂I/O多路復(fù)用機(jī)制，就是說(shuō)通過(guò)一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個(gè)描述符，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是讀就緒或者寫(xiě)就緒），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。但select，poll，epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫(xiě)事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫(xiě)，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫(xiě)過(guò)程是阻塞的，而異步I/O則無(wú)需自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫(xiě)，異步I/O的實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。關(guān)于阻塞，非阻塞，同步，異步將在下一篇文章詳細(xì)說(shuō)明。

select和poll的實(shí)現(xiàn)比較相似，目前也有很多為人詬病的缺點(diǎn)，epoll可以說(shuō)是select和poll的增強(qiáng)版。

一、select實(shí)現(xiàn)

1、使用copy_from_user從用戶空間拷貝fd_set到內(nèi)核空間

    2、注冊(cè)回調(diào)函數(shù)__pollwait

    3、遍歷所有fd，調(diào)用其對(duì)應(yīng)的poll方法（對(duì)于socket，這個(gè)poll方法是sock_poll，sock_poll根據(jù)情況會(huì)調(diào)用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

    4、以tcp_poll為例，其核心實(shí)現(xiàn)就是__pollwait，也就是上面注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)。

    5、__pollwait的主要工作就是把current（當(dāng)前進(jìn)程）掛到設(shè)備的等待隊(duì)列中，不同的設(shè)備有不同的等待隊(duì)列，對(duì)于tcp_poll來(lái)說(shuō)，其等待隊(duì)列是sk->sk_sleep（注意把進(jìn)程掛到等待隊(duì)列中并不代表進(jìn)程已經(jīng)睡眠了）。在設(shè)備收到一條消息（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）或填寫(xiě)完文件數(shù)據(jù)（磁盤(pán)設(shè)備）后，會(huì)喚醒設(shè)備等待隊(duì)列上睡眠的進(jìn)程，這時(shí)current便被喚醒了。

    6、poll方法返回時(shí)會(huì)返回一個(gè)描述讀寫(xiě)操作是否就緒的mask掩碼，根據(jù)這個(gè)mask掩碼給fd_set賦值。

    7、如果遍歷完所有的fd，還沒(méi)有返回一個(gè)可讀寫(xiě)的mask掩碼，則會(huì)調(diào)用schedule_timeout是調(diào)用select的進(jìn)程（也就是current）進(jìn)入睡眠。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)生自身資源可讀寫(xiě)后，會(huì)喚醒其等待隊(duì)列上睡眠的進(jìn)程。如果超過(guò)一定的超時(shí)時(shí)間（schedule_timeout指定），還是沒(méi)人喚醒，則調(diào)用select的進(jìn)程會(huì)重新被喚醒獲得CPU，進(jìn)而重新遍歷fd，判斷有沒(méi)有就緒的fd。

    8、把fd_set從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。

    總結(jié)：

    select的幾大缺點(diǎn)：

   （1）每次調(diào)用select，都需要把fd集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)在fd很多時(shí)會(huì)很大

   （2）同時(shí)每次調(diào)用select都需要在內(nèi)核遍歷傳遞進(jìn)來(lái)的所有fd，這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)在fd很多時(shí)也很大

   （3）select支持的文件描述符數(shù)量太小了，默認(rèn)是1024

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    二、poll實(shí)現(xiàn)

    poll的實(shí)現(xiàn)和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結(jié)構(gòu)而不是select的fd_set結(jié)構(gòu)。其他的都差不多。

    三、epoll實(shí)現(xiàn)

    epoll既然是對(duì)select和poll的改進(jìn)，就應(yīng)該能避免上述的三個(gè)缺點(diǎn)。那epoll都是怎么解決的呢？在此之前，我們先看一下epoll和select和poll的調(diào)用接口上的不同，select和poll都只提供了一個(gè)函數(shù)——select或者poll函數(shù)。而epoll提供了三個(gè)函數(shù)，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是創(chuàng)建一個(gè)epoll句柄；epoll_ctl是注冊(cè)要監(jiān)聽(tīng)的事件類(lèi)型；epoll_wait則是等待事件的產(chǎn)生。

    對(duì)于第一個(gè)缺點(diǎn)，epoll的解決方案在epoll_ctl函數(shù)中。每次注冊(cè)新的事件到epoll句柄中時(shí)（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會(huì)把所有的fd拷貝進(jìn)內(nèi)核，而不是在epoll_wait的時(shí)候重復(fù)拷貝。epoll保證了每個(gè)fd在整個(gè)過(guò)程中只會(huì)拷貝一次。

    對(duì)于第二個(gè)缺點(diǎn)，epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把current輪流加入fd對(duì)應(yīng)的設(shè)備等待隊(duì)列中，而只在epoll_ctl時(shí)把current掛一遍（這一遍必不可少）并為每個(gè)fd指定一個(gè)回調(diào)函數(shù)，當(dāng)設(shè)備就緒，喚醒等待隊(duì)列上的等待者時(shí)，就會(huì)調(diào)用這個(gè)回調(diào)函數(shù)，而這個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)把就緒的fd加入一個(gè)就緒鏈表）。epoll_wait的工作實(shí)際上就是在這個(gè)就緒鏈表中查看有沒(méi)有就緒的fd（利用schedule_timeout()實(shí)現(xiàn)睡一會(huì)，判斷一會(huì)的效果，和select實(shí)現(xiàn)中的第7步是類(lèi)似的）。

    說(shuō)明一下這個(gè)回調(diào)機(jī)制的原理，其實(shí)很簡(jiǎn)單，看一下select和epoll在把current加入fd對(duì)應(yīng)的設(shè)備等待隊(duì)列時(shí)使用的代碼：

    select:

    其中init_waitqueue_entry實(shí)現(xiàn)如下：

    上面的代碼是說(shuō)建立一個(gè)poll_table_entry結(jié)構(gòu)entry，首先把current設(shè)置為entry->wait的private成員，同時(shí)把default_wake_function設(shè)為entry->wait的func成員，然后把entry->wait鏈入到wait_address中（這個(gè)wait_address就是設(shè)備的等待隊(duì)列，在tcp_poll中就是sk_sleep）。

    再看一下epoll：

    再梳理一下，當(dāng)epoll_wait時(shí)，它會(huì)判斷就緒鏈表中有沒(méi)有就緒的fd，如果沒(méi)有，則把current進(jìn)程加入一個(gè)等待隊(duì)列(file->private_data->wq)中，并在一個(gè)while（1）循環(huán)中判斷就緒隊(duì)列是否為空，并結(jié)合schedule_timeout實(shí)現(xiàn)睡一會(huì)，判斷一會(huì)的效果。如果current進(jìn)程在睡眠中，設(shè)備就緒了，就會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)函數(shù)中，會(huì)把就緒的fd放入就緒鏈表，并喚醒等待隊(duì)列(file->private_data->wq)中的current進(jìn)程，這樣epoll_wait又能繼續(xù)執(zhí)行下去了。

    對(duì)于第三個(gè)缺點(diǎn)，epoll沒(méi)有這個(gè)限制，它所支持的FD上限是最大可以打開(kāi)文件的數(shù)目，這個(gè)數(shù)字一般遠(yuǎn)大于2048,舉個(gè)例子,在1GB內(nèi)存的機(jī)器上大約是10萬(wàn)左右，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來(lái)說(shuō)這個(gè)數(shù)目和系統(tǒng)內(nèi)存關(guān)系很大。

    總結(jié)：

   1、select，poll實(shí)現(xiàn)需要自己不斷輪詢(xún)所有fd集合，直到設(shè)備就緒，期間可能要睡眠和喚醒多次交替。而epoll其實(shí)也需要調(diào)用epoll_wait不斷輪詢(xún)就緒鏈表，期間也可能多次睡眠和喚醒交替，但是它是設(shè)備就緒時(shí)，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把就緒fd放入就緒鏈表中，并喚醒在epoll_wait中進(jìn)入睡眠的進(jìn)程。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時(shí)候要遍歷整個(gè)fd集合，而epoll在“醒著”的時(shí)候只要判斷一下就緒鏈表是否為空就行了，這節(jié)省了大量的CPU時(shí)間。這就是回調(diào)機(jī)制帶來(lái)的性能提升。

   2、select，poll每次調(diào)用都要把fd集合從用戶態(tài)往內(nèi)核態(tài)拷貝一次，并且要把current往設(shè)備等待隊(duì)列中掛一次，而epoll只要一次拷貝，而且把current往等待隊(duì)列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開(kāi)始，注意這里的等待隊(duì)列并不是設(shè)備等待隊(duì)列，只是一個(gè)epoll內(nèi)部定義的等待隊(duì)列）。這也能節(jié)省不少的開(kāi)銷(xiāo)。