IO多路复用的三种机制：select 、poll 、epoll

IO多路复用本质

检测多个文件描述符是否有变化 。让单个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的

IO多路复用的优势

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

在介绍select、poll、epoll之前，首先介绍一下Linux操作系统中基础的概念：

用户空间 / 内核空间

操作系统的核心是内核，

独立于普通的应用程序，

可以访问受保护的内存空间，

也有访问底层硬件设备的所有权限。

为了保证用户进程（如qq,新浪等进程）不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操作系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。

进程切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。

任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的，并且进程切换是非常耗费资源的。

进程阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使进程由运行状态变为阻塞状态

只有处于运行态的进程（获得了CPU资源），才可能将其转为阻塞状态。

当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

文件描述符

文件描述符（File descriptor），是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。

当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。

但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

IO多路复用Select机制

select机制中提供一种fd_set的数据结构，实际上是一个long类型的数组。

每一个数组元素都能与一打开的文件句柄建立联系，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读。

select机制的问题

每次调用select，都需要把fd_set集合从用户态拷贝到内核态，如果fd_set集合很大时，那这个开销也很大

同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd_set，如果fd_set集合很大时，那这个开销也很大

为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的fd_set集合大小做了限制，并且这个是通过宏控制的，大小不可改变(限制为1024)

IO多路复用Poll机制

poll改变了文件描述符集合的描述方式，使用了pollfd结构而不是select的fd_set结构，使得poll支持的文件描述符集合限制远大于select的1024

poll的机制与select类似，与select在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。

也就是说，poll只解决了上面select的问题3，并没有解决问题1，2的性能开销问题。

IO多路复用Epoll

epoll在Linux2.6内核正式提出，是基于事件驱动的I/O方式，相对于select来说，epoll没有描述符个数限制，使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，

它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。

原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

select，poll，epoll机制区别总结

selectpollepoll

操作方式遍历遍历回调

底层实现数组链表哈希表

IO效率每次调用都进行线性遍历，时间复杂度为O(n)每次调用都进行线性遍历，时间复杂度为O(n)事件通知方式，时间复杂度O(1)

最大连接数1024（x86）或2048（x64）无上限无上限

fd拷贝每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态每次调用poll，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态调用epoll_ctl时拷贝进内核并保存，之后每次epoll_wait不拷贝

epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。

既然如此，为何select，poll，epoll同时存在呢？

那是因为它们也是不同历史时期的产物。

1984，在BSD实现select

1997，实现了poll

2002, 大神 Davide Libenzi 实现了epoll