彻底弄懂IO复用：IO处理杀手锏，带您深入了解select，po

作者: Java入门到入坟 | 来源:发表于2020-12-20 21:24 被阅读0次

1、I/O复用模型介绍

I/O复用(I/O multiplexing)，指的是通过一个支持同时感知多个描述符的函数系统调用，阻塞在这个系统调用上，等待某一个或者几个描述符准备就绪，就返回可读条件。常见的如select，poll，epoll系统调用可以实现此类功能功能。这种模型不用阻塞在真正的I/O系统调用上。

工作原理如下图所示：

如上图，这种模型与非阻塞式I/O相比，把轮训判断数据是否准备好的处理方式替换为了通过select()系统调用的方式来实现。

常用的实现IO复用的相关函数有select，poll和epoll，接下俩我们介绍下这三个函数。

2、select函数

select是实现I/O多路复用的经典系统调用函数。select()可以同时等待多个套接字的变为可读，只要有任意一个套接字可读，那么就会立刻返回，处理已经准备好的套接字了。

2.1、select函数定义

#include <sys/select.h>

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

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);

int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
            const sigset_t *sigmask);

select函数参数：

int nfds：指定待测试的描述符的个数，它的值是待测试的最大描述符加1；
fd_set readfds：指定要让内核测试读的描述符；
fd_set writefds：指定要让内核测试写的描述符；
fd_set exceptfds：指定要让内核测试异常的描述符；
timeval timeout：告知内核等待所制定描述符中的任何一个准备就绪的超时时间。

其中有一个重要的结构体：fd_set，用于存储描述符集，底层使用bitmap记录描述符的。

与之相关的4个宏：

FD_CLR：清除fdset中的所有bit位；
FD_SET：开启fdset中fd描述符对应的bit位；
FD_ZERO：关闭fdset中fd描述符对应的bit位；
FD_ISSET：判断fd描述符对应的bit位是否开启；

2.2、select函数例子

下面通过一个例子演示select是如何使用的，并且分析其执行原理。

这个例子开启了一个监听套接字，然后获取5个客户端连接，通过select函数判断是否有数据到达服务器端，如果有则读取，我把详细的注释都加上了，下面重点介绍标注了序号的代码：

1、SOCKET

调用socket创建一个监听套接字，并拿到监听套接字描述符；

2、BIND

调用bind把本地协议地址赋予套接字；

3、LISTEN

调用listen转换为被动套接字，开始接受指向该套接字的连接请求；

4、得到MAXFD

在获取5个已连接套接字的过程中，判断获取到最大的套接字文件描述符；

5、初始化FD_SET

在循环里面，每次重新调用select之前，都需要重新设置rset，在第7步我们解释为什么要这样做；

fd_set是一个bitmap，由内核固定设置的大小，最大长度为1024，这也限制了我们最多只能同时监听1024个描述符。假如我们这里得到的五个描述符是：1 2 5 6 8，那么这个位图会是这样的：

6、`SELECT`函数传入的待测试描述符+1

这里为什么要加1呢？

根据第五步，可以知道，fd_set中的bitmap是从0开始的，所以rset实际有效的bitmap长度是待测试描述符+1。

7、往`SELECT`中传入要让内核测试读的描述符，然后阻塞等待内核返回

这一步的流程是这样的：

应用进程调用了select之后，会把fd_set从用户空间拷贝到内核空间，随后应用进程进入阻塞；
内核根据fd_set得到需要处理的描述符，根据描述符是否准备好数据，给fd_set进行置位；
进程被唤醒，拿到内核处理过后的fd_set，就可以通过FD_ISSET判断到套接字数据是否已经准备好了。

8、判断描述符是否可读

这里会把已准备好的数据的套接字描述符对应的fd_set中的标识进行标记，通过FD_ISSET即可判断到标记结果。

2.3、select函数优缺点

2.3.1、优点

非阻塞IO直接轮训查询数据是否准备好，每次查询都要切换内核态，轮训消耗CPU。而select函数则直接把查询多个描述符的动作交给了内核，这样避免了CPU消耗和减少了内核态的切换。

2.3.2、缺点

根据上面的过程描述，我们可以知道select有如下缺点：

fd_set中的bitmap是固定1024位的，也就是说最多只能监听1024个套接字。当然也可以改内核源码，不过代价比较大；
fd_set每次传入内核之后，都会被改写，导致不可重用，每次调用select都需要重新初始化fd_set；
每次调用select都需要拷贝新的fd_set到内核空间，这里会做一个用户态到内核态的切换；
拿到fd_set的结果后，应用进程需要遍历整个fd_set，才知道哪些文件描述符有数据可以处理。

3、poll

基于epoll的缺点，于是出现了第二个系统调用，poll，poll与内核交互的数据有所不同，并且突破了文件描述符数量的限制。

3.1、poll函数定义

下面是poll函数的定义：

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
              // 返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为1

poll函数参数：

pollfd * fds：指向一个结构数组第一个元素的指针，每个元素，都是一个pollfd结构，用于指定测试某个给定描述符fd的条件，结构体格式如下：

struct pollfd {
  int   fd;         /* 待检测的文件描述符 */
  short events;     /* 描述符上待检测的事件类型 */
  short revents;    /* 返回描述符对应事件的状态 */
};

int fd：为待检测的文件描述符；
short events：为描述符上待检测的事件类型，这里用了short类型，具体的实现用二进制掩码位操作来完成，常用的事件类型如下：
short revents：返回描述符对应事件的状态，在pollfd由系统调用返回之后，会响应具体的事件状态；
nfds_t nfds：nfds指定fds数组的大小；
int timeout：指定poll函数返回前需要等待多长时间。

接下来我们还是看具体的例子。

3.2、poll函数例子

下面通过一个例子演示poll是如何使用的，并且分析其执行原理。

与select的例子很类似，开启了一个监听套接字，然后获取5个客户端连接，通过poll函数判断是否有数据到达服务器端，如果有则读取，我把详细的注释都加上了，下面重点介绍标注了序号的代码：

1、设置POLLFD描述符

这里通过accept阻塞获取已连接描述符，赋值给pollfd结构的fd中。

2、设置POLLFD事件

然后给pollfd的events设置POLLIN，指定需要检测POLLIN，即数据读入。

3、POLL

调用poll函数，传入刚刚初始化好的pollfds，数量为5，超时时间为10秒。这里进入阻塞等待，直到从内核返回。

与select类似，这一步的执行流程是这样的：

应用进程调用了poll之后，会把poll_fd从用户空间拷贝到内核空间，随后应用进程进入阻塞；
内核根据poll_fd的fd得到需要处理的描述符，根据描述符是否准备好数据，给poll_fd的revents进行置位；
进程被唤醒，拿到内核处理过后的poll_fd，就可以通过与操作判断到对应的事件是否被置位，从而知道套接字数据是否已经准备好了。

4、判断事件是否准备好

从内核返回之后，我们循环判断pollfds中每个元素的revents，通过与操作，看看POLLIN是否被置位了，如果置位了就说明数据已经准备好了。

5、重置事件

这里对revents进行了重置，下次就可以复用这个pollfds，继续执行poll函数了。

3.3、poll函数优缺点

3.3.1、优点

与select类似，非阻塞IO直接轮训查询数据是否准备好，每次查询都要切换内核态，轮训消耗CPU，而poll则是把查询多个描述符的动作交给了内核，避免了CPU消耗和减少了内核态的切换。
与select相比，这里不是用的bitmap，而是直接用poll_fd数组，没有1024个描述符的限制；
这里引入了poll_fd结构体，内核只是修改poll_fd结构体中的revents，这样每次读取数据的时候，重置revents，就可以复用poll_fd了，不用像select那样反复初始化一个新的rset。

3.3.2、缺点

每次调用poll都需要拷贝新的poll_fd到内核空间，这里会做一个用户态到内核态的切换；
拿到poll_fd的结果后，应用进程需要遍历整个poll_fd，才知道哪些文件描述符有数据可以处理。

4、epoll

与poll不同，epoll本身不是系统调用，而是一种内核数据结构，它允许进程在多个文件描述符上多路复用I / O。

可以通过三个系统调用来创建，修改和删除此数据结构。

4.1、epoll的相关函数

4.1.1、EPOLL_CREATE

epoll实例是通过epoll_create系统调用创建的，该系统调用将文件描述符返回到epoll实例，函数定义如下：

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

size参数向内核指示进程要监视的文件描述符的数量，这有助于内核确定epoll实例的大小。从Linux 2.6.8开始，此参数将被忽略，因为epoll数据结构会随着文件描述符的添加或删除而动态调整大小。

epoll_create系统调用将返回新创建的epoll内核数据结构的文件描述符。然后，调用过程中可以使用此文件描述符来添加，删除或修改其要监视的epoll实例的I/O的其他文件描述符。

如下图，用户进程最终拿到了epoll实例的描述符 EPFD，以支持对epoll实例的访问：

还有另一个系统调用epoll_create1，其定义如下：

int epoll_create1(int flags);

flags参数可以为0或EPOLL_CLOEXEC。

设置为0时，epoll_create1的行为与epoll_create相同；
设置EPOLL_CLOEXEC标志后，当前进程派生的任何子进程将在执行前关闭epoll描述符，因此该子进程将无法再访问epoll实例；

4.1.2、EPOLL_CTL

进程可以通过调用epoll_ctl将想要监视的文件描述符添加到epoll实例。

向epoll实例注册的所有文件描述符统称为epoll的兴趣列表^[1]，会包装成epitem结构体，放到一颗红黑树rbr中：

在上图中，用户进程向epoll实例注册了文件描述符fd1，fd2，fd3，fd4，这是该epoll实例的兴趣列表集。

当任何已注册的文件描述符准备好进行I/O时，它们就被放入事件就绪队列。事件就绪队列是兴趣列表的一个子集。内核在接收到I/O准备好的事件回调的时候，把rbr中的epitem移到事件就绪队列。

epoll_ctl系统调用定义如下：

#include <sys/epoll.h>

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

int epfd：epoll_create返回的文件描述符，用于标识内核中的epoll实例；
int op：指要在文件描述符fd上执行的操作。通常，支持三种操作：
EPOLL_CTL_ADD：向epoll实例注册文件描述符对应的事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epoll实例注销fd。这意味着该进程将不再获取有关该文件描述符上事件的任何通知。如果已将文件描述符添加到多个epoll实例，则关闭该文件描述符会将其从添加了该文件的所有epoll兴趣列表中删除
EPOLL_CTL_MOD：修改文件描述符对应的事件。
int fd：我们要添加到epoll兴趣列表的文件描述符；
struct epoll_event *event：指向名为epoll_event的结构的指针，该结构存储我们实际上要监视fd的事件。

typedef union epoll_data { 
  void *ptr; 
  int fd;           /* 需要监视的文件描述符 */
  uint32_t u32; 
  uint64_t u64; 
} epoll_data_t; 

struct epoll_event { 
  uint32_t events;   /* 需要监视的Epoll事件，与poll一样，基于mask的事件类型 */ 
  epoll_data_t data; /* User data variable */ 
};

4.1.3、EPOLL_WAIT

可以通过调用epoll_wait系统调用来等到内核通知进程epoll实例的兴趣列表上发生的事件，该事件将阻塞直到被监视的任何描述符准备好进行I/O操作为止。

函数定义如下：

#include <sys/epoll.h>

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

int epfd：epoll实例描述符；
struct epoll_event *events：返回给用户空间需要处理的IO事件数组；
int maxevents：指定epoll_wait可以返回的最大事件值；
int timeout：指定阻塞调用超时时间。-1表示不超时，0表示立即返回。

4.2、epoll例子

注意：epoll机制是在Linux 2.6之后引入的，所以Mac OS不支持。Mac OS下使用kqueue机制代替epoll实现IO复用。

1、定义EPOLL_EVENT

定义一个epoll_event，存储实际要监视的fd相关信息，以及待接收epll_wait返回的就绪事件列表。

2、调用EPOLL_CREATE

在内核中创建epoll实例，并发挥epfd文件描述符。

3、设置EVENT.DATA.FD

event结构设置实际要监视的描述符。

4、设置EVENT.EVENTS

event和值实际要监视的事件。

5、调用EPOLL_CTL

将要监视的event添加到epoll实例。

6、调用EPOLL_WAIT

获取内核epoll实例中兴趣列表上发生的事件，即事件就绪队列的内容，epoll_wait的返回值为就绪队列的大小。

4.3、epoll原理解析^[2]

还是看看刚才那个图：

这里我们重点来看看epoll实例的以下相关结构体：

eventpoll epoll实例
    rdllist：事件就绪队列
    rbr：用于快速查找fd的红黑树
        epitem：一个fd会对应创建一个epitem

eventpoll实例是存在内核空间的，每次用户进程要请求epoll_wait调用的时候，都需要通过传递epfd描述符让内核找到用户要访问的eventpoll实例；
每次调用epoll_ctl为描述符订阅事件的时候，其实是把描述符和事件相关内容包装成epitem结构，然后往红黑树rbr添加树节点，用户进程所有关心的描述符都存在这颗红黑树中；
内核会通过ep_ptable_queue_proc函数给每个文件描述符设置回调ep_poll_callback，对应的文件描述符如果有事件发生，那么就会调用回调函数，从而触发内核进行查找红黑树，把需要的套接字epitem移动到事件就绪队列；
最后在执行epoll_wait准备把事件就绪队列的内容从内核空间拷贝到用户空间的时候，还会再次调用每个文件描述符的poll方法，以便确定确实有事件发生，从而确保事件还是有效的。

更详细的实现细节，可以进一步阅读epoll的源码^[2]。

4.4、边缘触发与条件触发

先讲下边缘触发和条件触发的区别。

4.4.1、边缘触发

当一个添加到epoll实例的epoll_event设置为EPOLLET边缘触发(edge-triggered)之后，如果后续有描述符的事件准备好了，调用epoll_wait就会把对应的epoll_event返回给应用进程，注意，在边缘触发模式下，只会返回已准备好的描述符的epoll_evnet一次，也就是说程序只有一次的处理机会。

4.4.2、条件触发

当把要添加到epoll实例的epoll_event设置为EPOLLLT条件触发(level-triggered)时，只要已准备好的描述符没有被处理完，下一次调用epoll_wait的时候，还是会继续返回给应用进程处理。这是系统默认处理方式。

EPOLLET边缘触发的效率要比EPOLLLT高效，因为对于每个准备就绪的套接字，只会通知应用进程一次，但是这也要求程序员必须小心处理，不会留多次机会给你去补偿处理套接字。

4.4.3、实现原理

针对条件触发，返回给内核空间的描述符会再次加入到就绪队列中，那么下次调用epoll_wait的时候，这些epoll_item将会被重新处理：调用文件描述符的poll方法，确定事件是否还有效，如果还有效，那就继续返回，从而实现了条件触发。

而边缘触发的情况下，返回给内核空间的描述符则不会再次放会就绪队列，所以只会返回一次。

4.5、epoll优缺点

4.5.1、优点

epoll每次调用epoll_wait的时候，不像poll调用一样，每次都要传递结构体到内核空间，而是复用一个内核的epoll实例结构体，通过epfd进行引用，从而减小了系统开销；
epoll底层是套接字一旦有事件，就调用回调立刻通知epoll实例，可以尽早的准备好事件就绪队列，执行epoll_wait的时候相应的更快；
epoll底层基于红黑树维护兴趣事件列表，这样每次套接字有新事件触发回调的时候，可以更快的找到套接字的epitem进行后续的处理；
提供了性能更佳的边缘触发机制。

正是因为epoll这么多的优点，很多技术都是基于epoll实现的，如nginx、redis，以及Linux下Java的NIO。

4.5.2、缺点

它还不是真正的异步IO，还是要应用进程调用IO函数的时候，才把数据从内核拷贝到应用进程。

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