1. 文件描述符 fd 与 socket#

1.1 什么是文件描述符

文件描述符（file descriptor）是一个非负整数，从 0 开始。进程使用文件描述符来标识一个打开的文件。

系统为每一个进程维护了一个文件描述符表，表示该进程打开文件的记录表，而文件描述符实际上就是这张表的索引。当进程打开（open）或者新建（create）文件时，内核会在该进程的文件列表中新增一个表项，同时返回一个文件描述符 —— 也就是新增表项的下标。

一般来说，每个进程最多可以打开 64 个文件，fd ∈ 0~63。在不同系统上，最多允许打开的文件个数不同，Linux 2.4.22 强制规定最多不能超过 1,048,576。

每个进程默认都有 3 个文件描述符：0 (stdin)、1 (stdout)、2 (stderr)。

1.2 fd 与 socket 关系

socket 是 Unix 中的术语。socket 可以用于同一台主机的不同进程间的通信，也可以用于不同主机间的通信。一个 socket 包含地址、类型和通信协议等信息，通过 socket() 函数创建：

int socket(int domain, int type, int protocol)

返回的就是这个 socket 对应的文件描述符 fd。操作系统将 socket 映射到进程的一个文件描述符上，进程就可以通过读写这个文件描述符来和远程主机通信。

可以这样理解：socket 是进程间通信规则的高层抽象，而 fd 提供的是底层的具体实现。socket 与 fd 是一一对应的。通过 socket 通信，实际上就是通过文件描述符 fd 读写文件。这也符合 Unix“一切皆文件”的哲学。

本文可以将 socket 和 fd 视为同义词。

2. 内核接收网络数据全过程

如下图所示，进程在recv阻塞期间，计算机收到了对端传送的数据（步骤①）。数据经由网卡传送到内存（步骤②），然后网卡通过中断信号通知cpu有数据到达，cpu执行中断程序（步骤③）。此处的中断程序主要有两项功能，先将网络数据写入到对应socket的接收缓冲区里面（步骤④），再唤醒进程A（步骤⑤），重新将进程A放入工作队列中。

唤醒进程的过程如下图所示。

以上是内核接收数据全过程
这里有两个问题:
其一，操作系统如何知道网络数据对应于哪个socket？
其二，如何同时监视多个socket的数据？
第一个问题：因为一个socket对应着一个端口号，而网络数据包中包含了ip和端口的信息，内核可以通过端口号找到对应的socket。当然，为了提高处理速度，操作系统会维护端口号到socket的索引结构，以快速读取。
第二个问题是多路复用的重中之重

3. 从阻塞 I/O 到 I/O 多路复用

阻塞 I/O，是指进程发起调用后，会被挂起（阻塞），直到收到数据再返回。如果调用一直不返回，进程就会一直被挂起。因此，当使用阻塞 I/O 时，需要使用多线程来处理多个文件描述符。

多线程切换有一定的开销，因此引入非阻塞 I/O。非阻塞 I/O 不会将进程挂起，调用时会立即返回成功或错误，因此可以在一个线程里轮询多个文件描述符是否就绪。

但是非阻塞 I/O 的缺点是：每次发起系统调用，只能检查一个文件描述符是否就绪。当文件描述符很多时，系统调用的成本很高。

因此引入了 I/O 多路复用，可以通过一次系统调用，检查多个文件描述符的状态。这是 I/O 多路复用的主要优点，相比于非阻塞 I/O，在文件描述符较多的场景下，避免了频繁的用户态和内核态的切换，减少了系统调用的开销。

I/O 多路复用相当于将「遍历所有文件描述符、通过非阻塞 I/O 查看其是否就绪」的过程从用户线程移到了内核中，由内核来负责轮询。

进程可以通过 select、poll、epoll 发起 I/O 多路复用的系统调用，这些系统调用都是同步阻塞的：如果传入的多个文件描述符中，有描述符就绪，则返回就绪的描述符；否则如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞时长超过设置的 timeout 后，再返回。I/O 多路复用内部使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。

如果 timeout 参数设为 NULL，会无限阻塞直到某个描述符就绪；如果 timeout 参数设为 0，会立即返回，不阻塞。

I/O 多路复用引入了一些额外的操作和开销，性能更差。但是好处是用户可以在一个线程内同时处理多个 I/O 请求。如果不采用 I/O 多路复用，则必须通过多线程的方式，每个线程处理一个 I/O 请求。后者线程切换也是有一定的开销的。

为什么 I/O 多路复用内部需要使用非阻塞 I/O

I/O 多路复用内部会遍历集合中的每个文件描述符，判断其是否就绪：

for fd in read_set
    if（ readable(fd) ) // 判断 fd 是否就绪
        count++
        FDSET(fd, &res_rset) // 将 fd 添加到就绪集合中
        break
...
return count

这里的 readable(fd) 就是一个非阻塞 I/O 调用。试想，如果这里使用阻塞 I/O，那么 fd 未就绪时，select 会阻塞在这个文件描述符上，无法检查下个文件描述符。

注意：这里说的是 I/O 多路复用的内部实现，而不是说，使用 I/O 多路复用就必须使用非阻塞 I/O，

4. select

函数签名与参数

int select(int nfds,
            fd_set *restrict readfds,
            fd_set *restrict writefds,
            fd_set *restrict errorfds,
            struct timeval *restrict timeout);

readfds、writefds、errorfds 是三个文件描述符集合。select 会遍历每个集合的前 nfds 个描述符，分别找到可以读取、可以写入、发生错误的描述符，统称为“就绪”的描述符。然后用找到的子集替换参数中的对应集合，返回所有就绪描述符的总数。

timeout 参数表示调用 select 时的阻塞时长。如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞超过设置的 timeout 后，返回。如果 timeout 参数设为 NULL，会无限阻塞直到某个描述符就绪；如果 timeout 参数设为 0，会立即返回，不阻塞。

4.1 fd_set 文件描述符集合

fd_set 结构体：

typedef long int __fd_mask;

/* fd_set for select and pselect.  */
typedef struct {
    #ifdef __USE_XOPEN
        __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
    # define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
    #else
        __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
    # define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
    #endif
} fd_set;

参数中的 fd_set 类型表示文件描述符的集合。

由于文件描述符 fd 是一个从 0 开始的无符号整数，所以可以使用 fd_set 的二进制每一位来表示一个文件描述符。某一位为 1，表示对应的文件描述符已就绪。比如比如设 fd_set 长度为 1 字节，则一个 fd_set 变量最大可以表示 8 个文件描述符。当 select 返回 fd_set = 00010011 时，表示文件描述符 1、2、5 已经就绪。

fd_set 的使用涉及以下几个 API：
```c
#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);  // 将 fd_set 所有位置 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // 将 fd_set 某一位置 0
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);  // 将 fd_set 某一位置 1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检测 fd_set 某一位是否为 1

4.2 执行流程

• 用户线程调用select，将fd_set从用户空间拷贝到内核空间
• 内核在内核空间对fd_set遍历一遍，检查是否有就绪的socket描述符，如果没有的话，就会进入休眠，直到有就绪的socket描述符
• 内核返回select的结果给用户线程，即就绪的文件描述符数量
• 用户拿到就绪文件描述符数量后，再次对fd_set进行遍历，找出就绪的文件描述符
• 用户线程对就绪的文件描述符进行读写操作

select 需要将所有文件描述符传到内核空间里面主要是出于安全考虑:

1. 用户空间的指针所指向的虚拟地址，在内核态访问的时候，不能保证还存在在物理页面上
2. 如果在内核态直接访问用户空间的地址，当发生“Page Fault“缺页错误时，内核会死机。而将数据从用户空间拷贝到内核空间的函数 copy_from_user，在发生缺页错误时会优雅地返回一个错误码，保证程序不崩掉。
3. 为了安全，在读取/写入用户空间的指针之前，必须先验证这个指针是否确实是用户空间的、是否有相应的权限。这是为了防止用户空间访问内核空间。copy_from_user 的入口封装了这个逻辑。
4. 执行系统调用的线程有可能在验证用户内存之后、但在实际完成系统调用之前被调度出来，这可能导致用户空间的指针，指向了一段包含恶意程序的代码。所以从安全性和（最终）性能等方面来说，先制作一份拷贝会更好。

4.3 select 使用示例

下图的代码说明：

• 先声明一个 fd_set 类型的变量 readFDs
• 调用 FD_ZERO，将 readFDs 所有位置 0
• 调用 FD_SET，将 readFDs 感兴趣的位置 1，表示要监听这几个文件描述符
• 将 readFDs 传给 select，调用 select
• select 会将 readFDs 中就绪的位置 1，未就绪的位置 0，返回就绪的文件描述符的数量
• 当 select 返回后，调用 FD_ISSET 检测给定位是否为 1，表示对应文件描述符是否就绪

比如进程想监听 1、2、5 这三个文件描述符，就将 readFDs 设置为 00010011，然后调用 select。

如果 fd=1、fd=2 就绪，而 fd=5 未就绪，select 会将 readFDs 设置为 00000011 并返回 2。

如果每个文件描述符都未就绪，select 会阻塞 timeout 时长，再返回。这期间，如果 readFDs 监听的某个文件描述符上发生可读事件，则 select 会将对应位置 1，并立即返回。

4.4 select 优点

1. 跨平台，几乎所有平台都支持；
2. 时间精度高，ns 级别。

4.5 select 缺点

1. 最大限制：单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制。(基于数组存储的赶脚)一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。它由FD_SETSIZE设置，32位机默认是1024个。64位机默认是2048.
2. 时间复杂度： 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低，时间复杂度O(n)。当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。它仅仅知道有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。
3. 内存拷贝：需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

5. poll

poll 和 select 几乎没有区别。poll 在用户态通过数组方式传递文件描述符，在内核会转为链表方式存储，没有最大数量的限制。

poll 的函数签名

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

pollfd 的结构体

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor */
    short events;     /* requested events */
    short revents;    /* returned events */
};

5.1 与select的异同点#

相同点：

• 内核线程都需要遍历文件描述符，并且当内核返回就绪的文件描述符数量后，还需要遍历一次找出就绪的文件描述符
• 需要将文件描述符数组或链表从用户空间拷贝到内核空间
  性能开销会随文件描述符的数量而线性增大

不同点：

• select存储的数据结构是文件描述符数组，poll采用链表
• select有最大连接数限制，poll没有最大限制，因为poll采用链表存储

5.2 执行过程（基本与 select 类型）

1. 用户线程调用 poll 系统调用，并将文件描述符链表拷贝到内核空间
2. 内核对文件描述符遍历一遍，如果没有就绪的描述符，则内核开始休眠，直到有就绪的文件描述符
3. 返回给用户线程就绪的文件描述符数量
4. 用户线程再遍历一次文件描述符链表，找出就绪的文件描述符
5. 用户线程对就绪的文件描述符进行读写操作

5.3 poll 优点

没有最大连接数的限制。（基于链表来存储的）

5.4 poll 缺点

1. 时间复杂度：对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低，时间复杂度O(n)。它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd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fd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，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。
2. 内存拷贝：大量的fd数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。大量的fd数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。
3. 水平触发：如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

注意：select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

6. epoll

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。

核心代码：

#include <sys/epoll.h>

// 数据结构
// 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体
// 红黑树用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件
// epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可
struct eventpoll {
    ...
    /*红黑树的根节点，这颗树存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表存储所有就绪的文件描述符*/
    struct list_head rdlist;
    ...
};

// API
int epoll_create(int size); // 内核中间加一个 eventpoll 对象，把所有需要监听的 socket 都放到 eventpoll 对象中
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl 负责把 socket 增加、删除到内核红黑树
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);// epoll_wait 检测双链表中是否有就绪的文件描述符，如果有，则返回

简而言之，epoll 有以下几个特点：

• 使用红黑树存储文件描述符集合
• 使用双链表存储就绪的文件描述符
• 每个文件描述符只需在添加时传入一次，通过事件 callback 更改文件描述符状态。

select、poll 模型都只使用一个函数，而 epoll 模型使用三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。

• epoll_create 创建 eventpoll对象（红黑树，双链表）
• 一棵红黑树，存储监听的所有文件描述符，并且通过 epoll_ctl 将文件描述符添加、删除到红黑树
• 一个双链表，存储就绪的文件描述符列表，epoll_wait调用时，检测此链表中是否有数据，有的话直接返回
• 所有添加到 eventpoll 中的事件都与设备驱动程序建立回调关系

6.1 epoll_create#

int epoll_create(int size);

内核在 epoll 文件系统中建了个file结点

• epoll_create 会创建一个 epoll 实例，同时返回一个引用该实例的文件描述符
• 返回的文件描述符仅仅指向对应的 epoll 实例，并不表示真实的磁盘文件节点。其他 API 如 epoll_ctl、epoll_wait 会使用这个文件描述符来操作相应的 epoll 实例
• 使用完，必须调用close()关闭，否则导致fd被耗尽

epoll 实例内部存储：

• 监听列表：所有要监听的文件描述符，使用红黑树，由 epoll_ctl 传来
• 就绪列表：所有就绪的文件描述符，使用双向链表

6.2 epoll_ctl

epoll_ctl 会监听文件描述符 fd 上发生的 event 事件

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数说明

• epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
• fd 表示要监听的目标文件描述符
• event 表示要监听的事件（可读、可写、发送错误…）
• op 表示要对 fd 执行的操作，有以下几种：
  • EPOLL_CTL_ADD：为 fd 添加一个监听事件 event
  • EPOLL_CTL_MOD：Change the event event associated with the target file descriptor fd（event 是一个结构体变量，这相当于变量 event 本身没变，但是更改了其内部字段的值）
  • EPOLL_CTL_DEL：删除 fd 的所有监听事件，这种情况下 event 参数没用
• 返回值 0 或 -1，表示上述操作成功与否。

epoll_ctl 会将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例的监听列表里，同时为 fd 设置一个回调函数，并监听事件 event，如果红黑树中已经存在立刻返回。当 fd 上发生相应事件时，会调用回调函数，将 fd 添加到 epoll 实例的就绪队列上。

6.3 epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epoll 模型的主要函数，功能相当于 select

参数说明：

• epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
• events 是一个数组，保存就绪状态的文件描述符，其空间由调用者负责申请
• maxevents 指定 events 的大小
• timeout 类似于 select 中的 timeout。如果没有文件描述符就绪，即就绪队列为空，则 epoll_wait 会阻塞 timeout 毫秒。如果 timeout 设为 -1，则 epoll_wait 会一直阻塞，直到有文件描述符就绪；如果 timeout 设为 0，则 epoll_wait 会立即返回
• 返回值表示 events 中存储的就绪描述符个数，最大不超过 maxevents。

6.4 mmap 内存映射

6.5 epoll 优点

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。对于“文件描述符数量少”，select 使用整型数组存储文件描述符集合，而 epoll 使用红黑树存储，数量较大。对于“性能开销大”，epoll_ctl 中为每个文件描述符指定了回调函数，并在就绪时将其加入到就绪列表，因此 epoll 不需要像 select 那样遍历检测每个文件描述符，只需要判断就绪列表是否为空即可。这样，在没有描述符就绪时，epoll 能更早地让出系统资源。相当于时间复杂度从 O(n) 降为 O(1)。此外，每次调用 select 时都需要向内核拷贝所有要监听的描述符集合，而 epoll 对于每个描述符，只需要在 epoll_ctl 传递一次，之后 epoll_wait 不需要再次传递。这也大大提高了效率。

1. 没有最大连接数的限制。（基于 红黑树+双链表 来存储的:1G的内存上能监听约10万个端口）
2. 时间复杂度低： 边缘触发和事件驱动，监听回调，时间复杂度O(1)。只有活跃可用的fd才会调用callback函数；即epoll最大的优点就在于它只管“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此实际网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
   3.内存拷贝：利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递，减少拷贝开销。

6.6 epoll 缺点

依赖于操作系统：Linux

6.7 应用场景

适合用epoll的应用场景：

• 对于连接特别多，活跃的连接特别少
• 典型的应用场景为一个需要处理上万的连接服务器，例如各种app的入口服务器，例如qq

不适合epoll的场景：

• 连接比较少，数据量比较大，例如ssh
• epoll 的惊群问题：因为epoll 多用于多个连接，只有少数活跃的场景，但是万一某一时刻，epoll 等的上千个文件描述符都就绪了，这时候epoll 要进行大量的I/O，此时压力太大。

6.8 epoll 两种模式

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT(level trigger) 和 ET(edge trigger)。LT是默认的模式，ET是“高速”模式。

• LT（水平触发）模式下，只要有数据就触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致 epoll_wait都会返回它的事件；
• ET（边缘触发）模式下，只有新数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll_wait返回。

水平触发、边缘触发的名称来源：数字电路当中的电位水平，高低电平切换瞬间的触发动作叫边缘触发，而处于高电平的触发动作叫做水平触发。

LT 模式

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的,只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作。

ET 模式

ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once)。
在它检测到有 I/O 事件时，通过 epoll_wait 调用会得到有事件通知的文件描述符，对于每一个被通知的文件描述符，如可读，则必须将该文件描述符一直读到空，让 errno 返回 EAGAIN （提示你的应用程序现在没有数据可读请稍后再试）为止，否则下次的 epoll_wait 不会返回余下的数据，会丢掉事件。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

7. select、poll、epoll的区别

	select	poll	epoll
底层数据结构	数组存储文件描述符	链表存储文件描述符	红黑树存储监控的文件描述符，双链表存储就绪的文件描述符
如何从fd数据中获取就绪的fd	遍历fd_set	遍历链表	回调
时间复杂度	获得就绪的文件描述符需要遍历fd数组，O(n)	获得就绪的文件描述符需要遍历fd链表，O(n)	当有就绪事件时，系统注册的回调函数就会被调用，将就绪的fd放入到就绪链表中。O(1)
FD数据拷贝	每次调用select，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	每次调用poll，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	使用内存映射(mmap)，不需要从用户空间频繁拷贝fd数据到内核空间
最大连接数	有限制，一般为1024	无限制	无限制

注意

1. 在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。此处去掉了遍历文件描述符，而是通过监听回调的的机制。这正是epoll的魅力所在。
2. 如果没有大量的idle-connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当遇到大量的idle-connection，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

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