select和poll和epoll

什么是I/O复用：使应用程序同时管理多个文件描述符，以提高程序的性能。

select

在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的事件(可读、可写、异常)。

//select API：
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, 
            fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, 
            strucut timeval *timeout);

<1>nfds：指定被监听的文件描述符的总数，通常为select监听的所有文件描述符+1，因为文件描述符是从0开始计数的。
<2>readfds、writefds、exceptfds：分别指向可读、可写和异常事件对应的文件描述符的集合，调用select函数时，通过这三个参数传入 自己感兴趣的文件描述符。select调用返回时，内核将修改它们来通知应用程序哪些文件描述符已经就位。

#include <typesizes.h>
#define __FD_SETSIZE 1024 //fd_set能容纳的文件描述符的数量由它决定
#include <sys/select.h>
#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE
typedef long int __fd_mask
#undef __NFDBITS
#define __NFDBITS (8 * (int)sizeof( __fd_mask ) )
typedef struct
{
    #ifdef__USE_XOPEN
        __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];//数组
    #define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)//设置
    #else
        __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];//数组
    #define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)//设置
    #endif
}fd_set;//fd_set结构体仅包含一个整形数组，该数组的每一位标记一个文件描述符

//使用宏来访问fd_set结构体中的位
#include <sys/select.h>
FD_ZERO(fd_set *fdset);//清除fdset的所有位
FD_SET(int fd, fd_set *fdset);//设置fdset的位fd
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);//清除fdset的位fd
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);//测试fdset的位fd是否被设置

<3>timeout：设置select函数的超时时间。它是一个timeval结构体类型的指针，采用指针可以使内核修改它以告诉应用程序select等待了多久。函数调用失败时，timeout的值是不确定的。

struct timeval
{
    long tv_sec;//秒数
    long tv_usec;//微妙数
}；//为0立即返回；为NULL，select将一直阻塞直到某个文件描述符就绪。

<4>select调用成功，返回就绪的文件描述符总数。失败时返回-1并设置errno。如果在select等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

文件描述符就绪条件

可读：
<1>socket内核接收缓冲区中的字节大于或者等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。
<2>socket通信的对方关闭连接。
<3>监听socket上有新的连接请求。
<4>socket上有未处理的错误。使用getsckopt来读取和清除该错误。
可写：
<1>socket内核发送缓冲区中的可用字节大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。
<2>socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
<3>socket使用非阻塞connect连接成功或者失败之后。
<4>socket上有未处理的错误。使用getsckopt来读取和清除该错误。
异常：socket上收到带外数据。
带外数据：当socket上接收到普通数据和带外数据都将使select返回，但socket处于不同的就绪状态，前者处于可读状态，后者处于异常状态。

//对于可读事件，采用普通的recv函数读取数据
if(FD_ISSET(connfd, &read_fds))
{
    ret = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0);
}
//对于异常事件，采用带MSG_OOB标志的recv函数处理
if(FD_ISSET(connfd, &exception_fds))
{
    ret = recv(connfd,buffer, sizeof(buffer)-1, MSG_OOB);
}

poll

在指定的时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其是否就绪。

//pool API：
#include <poll.h>
int poll(struct poolfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

<1>fds:是一个pollfd结构体类型的数组，它指定所有我们感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写、和异常事件。

struct poolfd
{
    int fd;//文件描述符
    short events;//注册的事件，即poll监听fd上的哪些事件，它是一系列事件的按位或
    short revents;//实际发生的事件，由内核填充，通知应用程序fd上实际发生了哪些事件
};

<2>nfds：指定被监听事件集合fds的大小。

typedef unsigned long int nfds_t;

<3>timeout：指定poll的超时时间，单位是毫秒。为-1时，poll永远阻塞，直到某个时间发生。为0时，立即返回。

epoll

epoll是linux特有的I/O复用函数。epoll使用一组函数来完成任务。epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集。但是epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中的这个事件表(Linux下一切皆文件)。

//创建
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
//size只是给内核一个提示，告诉它事件表需要多大
//返回的文件描述符将作为其他所有epoll系统调用的第一个参数，指定访问内核事件表

//操作epoll的内核事件表
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);//成功返回0
<1>epfd是需要操作的文件描述符。
<2>op指定操作类型。
    //EPOLL_CTL_ADD,往事件表中注册事件
    //EPOLL_CTL_MOD,修改fd上注册的事件
    //EPOLL_CTL_DEL,删除fd上的注册事件
<3>event指定事件。
struct epoll_event
{
    _unit32_t events;//epoll事件，描述事件类型，和poll的宏相同只需添加E  POLLIN-->EPOLLIN
    //epoll的额外事件类型:EPOLLET和EPOLLONESHOT
    epoll_data_t data;//存储用户数据
    typedef union epoll_data
    {
        void *ptr;//指定和fd相关的用户数据
        int fd;//文件描述符
        unit32_t u32;
        unit64_t u64;
    }epoll_data_t;
}；

//在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
<1>epoll_create()返回的值。
<2>epoll_wait如果检测到就绪事件，就将所有的就绪事件从内核事件表复制到events指定的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，而不像select和poll那样既用于传入用户注册的事件，又用于输出epoll_wait检测到的就绪事件。这就极大提高了应用程序检索就绪文件描述符的效率。

//索引poll返回的就绪文件描述符
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i)//MAX_EVENT_NUMBER
{
    if(fds[i].revents & POLLIN)
    {
        int sockfd = fds[i].fd;
        //处理sockfd
    }
}

//索引epoll返回的就绪文件描述符
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < ret; ++i)//ret
{
    int sockfd = events[i].data.fd;
    //处理sockfd
}

<3>maxevents指定最多监听多少个事件，必须大于0。
<4>timeout和poll的相同。
<5>成功时返回就绪的文件描述符的个数。

LT和ET模式

LT模式：默认工作模式，这种模式下相当于一个高效的poll。
采用LT模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件，这样，当应用程序下一次调用 epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序告知此事件，直到该事件被处理。

ET模式：当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符，ET模式是epoll的高效工作模式。
采用ET模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件。ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数。因此效率较高。

EPOLLONESHOT事件
即使我们使用ET模式，一个socket上的某个事件还是可能会被触发多次，这在并发的程序中就会引起一个问题。如：一个线程在读取完某个socket上的数据后开始处理这些数据，而在数据的处理过程中该socket上又有新数据可读(EPOLLIN再次被触发)，此时另外一个线程被唤醒来读取这些新的数据。于是就出现了两个线程同时操作一个socket的局面。我们期望一个socket连接在任一时刻都只能被一个线程处理。可用epoll的EPOLLONESHOT事件实现。对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多触发其上的一个可读、可写或者异常事件。

select、poll和epoll的比较

这三组I/O复用系统调用都能同时监听多个文件描述符。它们将等待由timeout参数指定的超时时间，直到一个或多个文件描述符上有事件发生返回。

<1>select的 fd_set 结构体没有将文件描述符和事件绑定，仅仅是一个文件描述符的集合，因此需要三个参数来分别传入可读、可写和异常事件，这使得select不能处理更多类型的事件。由于内核对fd_set的在线修改，应用程序下次调用select前，必须重置这个3个fd_set集合。

<2>poll的pollfd把文件描述符和事件定义在一起，任何事件都被统一的处理，从而使编程接口变得更加简洁。内核每次修改的是结构体内的revents成员，而events成员保持不变，因此下次调用无需重置结构体的事件集参数。

<3>epoll则采用与select和poll完全不同的方式来管理用户注册的事件。它在内核维护一个事件表，并提供了一个独立的系统调用epoll_ctl来控制往其中添加、删除和修改事件。这样，每次epol_wait调用都直接从该内核事件表中取得用户注册的时间，而无需反复从用户空间读入这些事件。而且epoll_wait系统调用直接返回就绪的事件，这使得应用程序索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(1)。而select和poll调用都返回整个用户注册的事件集合，所以应用程序索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)。

<4>select和poll都采用的是轮询的方式，每次调用都要扫描整个注册文件描述符集合，将其中的文件描述符返回给用户程序，因此他们检测就绪事件的算法的时间复杂度都为O(n)。而epoll_wait采用回调的方式，内核检测到就绪的文件描述符时，将触发回调函数，回调函数就将该文件描述符上对应的事件插入内核就绪事件队列。内核最后在适当的时机将该就绪事件队列中的内容拷贝到用户空间。

<5>epoll和poll分别用nfds和maxevents参数指定最多监听的文件描述符和事件，这两个数目都为65535(cat/proc/sys/fs/file-max)。select允许监听的文件描述符数量通常有限制，用户可以修改。

<6>select和poll都只能工作在相对低效的LT模式，而epoll则可以采用ET高效模式，而且还支持EPOLLONESHOT事件，该事件能进一步减少可读、可写和异常事件被触发的次数。