select、poll和epoll的区别和 IO多路复用模型讲解

IT生涯 2018-07-12 22:28:27

select、poll和epoll的区别

在linux没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱的火热之年代，select和poll的用武之地越来越有限了，风头已经被epoll占尽。

select()和poll() IO多路复用模型

select的缺点：

单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；

内核/用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销

select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；

select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO，那么之后再次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

相比于select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在_FD_SETSIZE为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

epoll IO多路复用模型实现机制

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统（从用户态复制句柄数据结构到内核态），让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现select完全不同。epoll通过在linux内核中申请一个简易的文件系统（文件系统一般用什么数据结构实现？B+树）。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象（在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源）

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

上面的3个部分非常清晰，首先要调用epoll_create创建一个epoll对象。然后使用epoll_ctl可以操作上面建立的epoll对象，例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者把epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll，不再监控它等等。

epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，当在监控的所有句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

从上面的调用方式就可以看到epoll比select/poll的优越之处：因为后者每次调用时都要传递你所要监控的所有socket给select/poll系统调用，这意味着需要将用户态的socket列表copy到内核态，如果以万计的句柄会导致每次都要copy几十几百KB的内存到内核态，非常低效。而我们调用epoll_wait时就相当于以往调用select/poll，但是这时却不用传递socket句柄给内核，因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的句柄列表。

所以，实际上在你调用epoll_create后，内核就已经在内核态开始准备帮你存储要监控的句柄了，每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄。

在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述的被监控socket。当你调用epoll_create时，就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。当然这个file不是普通文件，它只服务于epoll。

epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置每一个我们想监控的socket，这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里，以支持快速的查找、插入、删除。这个内核高速cache区，就是建立连续的物理内存页，然后在之上建立slab层，简单的说，就是物理上分配好你想要的size的内存对象，每次使用时都是使用空闲的已分配好的对象。

epoll的高效就在于，当我们调用epoll_ctl往里塞入百万个句柄时，epoll_wait仍然可以飞快的返回，并有效的将发生事件的句柄给我们用户。这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。

而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已，如何能不高效？！

那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

最后看看epoll独有的两种模式LT和ET。无论是LT和ET模式，都适用于以上所说的流程。区别是，LT模式下，只要一个句柄上的事件一次没有处理完，会在以后调用epoll_wait时次次返回这个句柄，而ET模式仅在第一次返回。

这件事怎么做到的呢？当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait干了件事，就是检查这些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。所以，非ET的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄，除非有新中断到，即使socket上的事件没有处理完，也是不会次次从epoll_wait返回的。

其中涉及到的数据结构：

epoll用kmem_cache_create（slab分配器）分配内存用来存放structepitem和structeppoll_entry。

当向系统中添加一个fd时，就创建一个epitem结构体，这是内核管理epoll的基本数据结构：

structepitem{

structrb_noderbn;//用于主结构管理的红黑树

structlist_headrdllink;//事件就绪队列

structepitem*next;//用于主结构体中的链表

structepoll_filefdffd;//这个结构体对应的被监听的文件描述符信息

intnwait;//poll操作中事件的个数

structlist_headpwqlist;//双向链表，保存着被监视文件的等待队列，功能类似于select/poll中的poll_table

structeventpoll*ep;//该项属于哪个主结构体（多个epitm从属于一个eventpoll）

structlist_headfllink;//双向链表，用来链接被监视的文件描述符对应的struct file。因为file里有f_ep_link,用来保存所有监视这个文件的epoll节点

structepoll_eventevent;//注册的感兴趣的事件,也就是用户空间的epoll_event

}

而每个epoll fd（epfd）对应的主要数据结构为：

structeventpoll {

spin_lock_tlock;//对本数据结构的访问

structmutex mtx;//防止使用时被删除

wait_queue_head_t wq;//sys_epoll_wait()使用的等待队列

wait_queue_head_tpoll_wait; //file->poll()使用的等待队列

structlist_head rdllist;//事件满足条件的链表 /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/

structrb_rootrbr;//用于管理所有fd的红黑树（树根）/*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/

structepitem*ovflist;//将事件到达的fd进行链接起来发送至用户空间

}

structeventpoll在epoll_create时创建。

这样说来，内核中维护了一棵红黑树，大致的结构如下：

 

当调用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。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。