I/O多路复用：select、poll和epoll详解

I/O多路复用

I/O复用使得程序能同时监听多个文件描述符，这对提高程序的性能至关重要。通常，网络程序在下列情况下需要使用I/O复用技术：

客户端程序要同事处理多个socket。比如将讨论的非阻塞connect技术。

客户端程序要同时处理用户输入和网络连接。

TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket。这是I/O复用使用最多的场合。

I/O复用虽然能同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外的措施，程序就只能按顺序一次处理其中的每一个文件描述符，这使得服务器程序看起来像是串行工作的。如果要实现并发，只能使用多进程或多线程等编程手段。Linux下实现I/O复用的系统调用主要有select、poll和epoll。

 

select

select系统调用的用途是：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常事件。内核通过对这些参数在线修改来反馈其中的就绪事件。每次调用select都要重置这3个参数。函数原型：

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

nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。

select将事件分为可读(readfds)、可写(writefds)和异常(exceptfds)，并将相应的事件放入对应的文件描述符集合中。

timeout参数用来设置select函数的超时时间，采用指针参数是因为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。如果给timeout变量的成员都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。

select成功时返回就绪文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。select失败时返回-1并设置errno。使用以下函数完成对事件的操作：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);     //将fd从set上删除
void FD_ZERO(fd_set *set);            //将set中所有设置位清除
void FD_SET(int fd, fd_set *set);     //将fd添加到相应的集合上
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);    //判断fd是不是在set集合上

select工作原理：

select示例代码：

FD_ZERO(&readset);              //清空一个文件描述符集合
FD_SET(new_sock, &readset);     //将一个文件描述符添加到一个指定的文件描述符集合
maxfd=new_sock+1;

while(1)  
{
    r_readset = readset;         //因为每次会修改传入的事件，所以用变量记录事件，每次调用select时需要传入变量r_readset，而不是readset。
    timeout.tv_sec = 0;
    timeout.tv_usec = 500000;
    //io复用
    if((nfound = select(maxfd,&r_readset,(fd_set *)0,(fd_set *)0,&timeout))<0){
        perror("select");
        continue;
    }
    else if(nfound==0){
        continue;
    }
    if(FD_ISSET(new_sock,&r_readset))//检查集合中指定的文件描述符是否可以读
    {
        //接收消息
        byteread=recv(new_sock,&msgs,sizeof(msgs),0);
        if(byteread<0) //recv出错
        {
            perror("recv:");
            break;
        }
        if(byteread==0) //连接中止，发送下线信息
        {
            break;
        }

    //完成相应的操作

    }//end if
}//end while

select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它只是一个文件描述符集合，所以select需要提供3种类型的参数分别传入。由于内核对fd_set集合是在线修改的，应用程序下次调用select前需要重置这3个fd_set集合。工作流程：

(1)创建TCP连接，并将 fd 添加到 fd_set 集合中;
(2)将 fd_set 集合从用户态拷贝到内核态;
(3)遍历这个 fd_set 集合，找出所有就绪的 fd，执行对应 fd 的相关操作;
(4)将内核态的 fd_set 集合拷贝到用户态。

select的缺点：

(1)进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，一般是1024，由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，所以文件描述符数量越多，性能越差；

(2)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；

(3)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。

 

poll

poll系统调用和select类似，也是在一定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪事件。poll的原型如下：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；

fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的socket文件描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；poll()函数适合于大量socket描述符的情况；从下面的结构体可以看出，结构体pollfd将文件描述符和事件进行了绑定。

struct pollfd
{
    int fd;           //文件描述符
    short events;     //注册的事件
    short revents;    //实际发生的事件，由内核填充
}

poll事件类型：
POLLIN                有数据可读
POLLRDNORM            有普通数据可读
POLLRDBAND            有优先数据可读
POLLPRI               有紧急数据可读
POLLOUT               数据可写
POLLWRNORM            普通数据可写
POLLWRBAND            优先数据可写
POLLMSGSIGPOLL        消息可用 

nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；

返回值大于0：fds中准备好读、写或异常事件的socket文件描述符的总数量；

返回值等于0：fds中没有任何socket文件描述符准备好读、写，或异常事件；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的socket文件描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout == INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket文件描述符上的感兴趣的事件发生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去。

poll统一处理所有事件类型，因此只需一个事件集参数。用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，它是一系列事件的按位或，内核通过修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件。可以使用pollfd.revents与事件类型按位与进行判断是否发生相应的事件。poll同样存在的问题：(1)内核/用户空间内存拷贝问题；(2)应用程序需要采用的轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度是O(n)。相应代码会放到文章最后。

 

epoll

epoll是Linux特有的I/O复用函数。它在实现和使用上与select、poll有很大差异。首先，epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数。其次，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合或事件集合。但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。这个文件描述符使用epoll_create函数来创建。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

size参数现在并不起作用，只是给内核一个提示，告诉它事件表需要多大。该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll系统调用的第一个参数，以指定要访问的内核事件表。

当进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：

struct eventpoll{
    ....
    //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
    struct rb_root  rbr;
    //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
    struct list_head rdlist;
    ....
};

 

epoll_ctl( )

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); //用于操作epoll的内核事件表

fd参数是要操作的文件描述符，op参数则指定操作类型。操作类型有以下3种：

EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件。

EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件。

EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件。

event参数指定事件，它是epoll_event结构指针类型。epoll_event的定义如下：

struct epoll_event
{
    __uint32_t events;   //epoll事件
    epoll_data_t data;   //用户数据
}

其中events成员描述事件类型。epoll支持的事件类型和poll基本相同。表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏前加上”E”，比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN。但epoll有两个额外的事件类型——EPOLLET和EPOLLONESHOT。它们对于epoll的高效运作非常键。data成员用于存储用户数据，其类型epoll_data_t的定义如下：

typedef union epoll_data
{
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
}epoll_data_t;

epoll_data_t是一个联合体，其中使用最多的成员是fd，它指定事件所从属的目标文件描述符。epoll_ctl成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂在红黑树上，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是O(lgn)，其中n为元素个数)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到eventpoll的rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

struct epitem{
    struct rb_node  rbn;           //红黑树节点
    struct list_head    rdllink;   //双向链表节点
    struct epoll_filefd  ffd;      //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep;          //指向其所属的eventpoll对象
    struct epoll_event event;      //期待发生的事件类型
}

 

epoll_wait()

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

该函数成功时返回就绪的文件描述符的个数，失败时返回-1并设置errno。epoll_wait函数如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表中复制到它的第二个参数events指向的数组中。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的数组参数那样及用于传入用户注册的事件，又用于输出内核检测到的就绪事件。这就极大地提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

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。

简单的归纳epoll的用法了：

(1)调用epoll_create()，返回一个句柄来唯一标识内核中的事件表。

(2)使用epoll_ctl()系统调用，向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0表示成功，返回-1表示失败。

(3)通过epoll_wait()系统调用获取就绪事件。

 

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT(Level Trigger，电平触发)模式和ET(Edge Trigger，边沿触发)模式。LT模式是默认的工作模式，这种模式下epoll相当于一个效率较高的poll。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。

对于采用LT工作模式的文件描述符，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通告此事件，直到该事件被处理。而对于采用ET工作模式的文件描述符，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。可见，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，因此效率比LT高。

 

select、poll和epoll对比

这三组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时返回，返回值是就绪文件描述符的数量。返回0表示没有事件发生。

select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它只是一个文件描述符集合，所以select需要提供3种类型的参数分别传入。由于内核对fd_set集合是在线修改的，应用程序下次调用select前需要重置这3个fd_set集合。

poll的参数类型pollfd将文件描述符和事件都定义在其中，任何事件都被统一处理，从而使得编程接口简洁得多。并且内核每次修改的是revents成员，而events成员保持不变，因此下次调用poll时不需要重置pollfd的事件集合参数。由于每次select和poll调用都返回整个用户注册的事件集合，所以应用程序找到就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)。

epoll采用与select和poll完全不同的方式管理用户注册的事件。它在内核中维护一个事件表，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、修改事件。每次epoll_wait调用都直接从该内核事件表中取得用户注册的事件，而不用反复从用户空间读入这些事件。epoll_wait系统调用的events参数仅用来返回就绪的事件，这使得应用程序索引就绪文件描述符的事件复杂度为O(1)。

 

代码实现

以下代码使用poll实现了一个简单聊天室的功能，该聊天室程序能让所有用户同时在线群聊，它分为客户端和服务器两个部分。其中客户端程序有两个功能：一是从标准输入读入用户数据，并将数据发送至服务器；二是往标准输出终端打印服务器发送给它的数据。服务器的功能是接收客户数据，并把客户数据发送给每一个登录到该服务器上的客户端。下面依次给出服务器端和客户端的代码。

#define _GNU_SOURCE 1   //server.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>

#define USER_LIMIT 5
#define BUFFER_SIZE 64
#define FD_LIMIT 65535

struct client_data
{
    sockaddr_in address;
    char* write_buf;
    char buf[ BUFFER_SIZE ];
};

int setnonblocking( int fd )
{
    int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl( fd, F_SETFL, new_option );
    return old_option;
}

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );      //1.创建socket
    printf("Listenfd:[%d]\n", listenfd);                   //每次都是3
    assert( listenfd >= 0 );
    //socket返回值是一个文件描述符，socket类型本身也是定义为int的，既然是文件描述符，那么在
    //系统中都当作是文件来对待。0,1,2分别表示标准输入、标准输出、标准错误。所以其他打开文件描述符都会大于2。

    ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );   //2.bind
    printf("Bind ret:[%d]\n", ret);
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( listenfd, 5 );                           //3.监听
    printf("Listen ret:[%d]\n", ret);
    assert( ret != -1 );

    client_data* users = new client_data[FD_LIMIT];
    pollfd fds[USER_LIMIT+1];           //文件描述符上可读、可写和异常事件
    int user_counter = 0;
    for( int i = 1; i <= USER_LIMIT; ++i )
    {
        fds[i].fd = -1;
        fds[i].events = 0;
    }
    fds[0].fd = listenfd;               //指定文件描述符
    fds[0].events = POLLIN | POLLERR;   //events告诉poll监听fd上的什么事件，这个例子就是监听可读和错误事件
    fds[0].revents = 0;                 //由内核填写，以通知fd上实际发生的事件

    while( 1 )
    {
        ret = poll( fds, user_counter+1, -1 );
        if ( ret < 0 )
        {
            printf( "poll failure\n" );
            break;  //跳出循环
        }
    
        for( int i = 0; i < user_counter+1; ++i )
        {
            if( ( fds[i].fd == listenfd ) && ( fds[i].revents & POLLIN ) )
            {   //监听的文件描述符是server创建的socket且有可读事件发生，即有客户端的连接。接下来完成accept相关工作。
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
                int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );    //accept
                printf("Connfd:[%d]\n", connfd);
                if ( connfd < 0 )
                {
                    printf( "errno is: %d\n", errno );
                    continue;
                }
                if( user_counter >= USER_LIMIT )
                {
                    const char* info = "too many users\n";
                    printf( "%s", info );
                    send( connfd, info, strlen( info ), 0 );
                    close( connfd );
                    continue;         //continue语句的作用是跳过本次循环体中余下未执行的语句，立即进入下一次循环条件判定。
                }
                user_counter++;
                users[connfd].address = client_address;
                setnonblocking( connfd );
                fds[user_counter].fd = connfd;
                fds[user_counter].events = POLLIN | POLLRDHUP | POLLERR;
                fds[user_counter].revents = 0;
                printf( "comes a new user, now have %d users\n", user_counter );
            } //if( ( fds[i].fd == listenfd ) && ( fds[i].revents & POLLIN ) ) end
            
            else if( fds[i].revents & POLLERR )
            {
                printf( "get an error from %d\n", fds[i].fd );
                char errors[ 100 ];
                memset( errors, '\0', 100 );
                socklen_t length = sizeof( errors );
                if( getsockopt( fds[i].fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &errors, &length ) < 0 )
                {
                    printf( "get socket option failed\n" );
                }
                continue;
            }//else if( fds[i].revents & POLLERR ) end
            
            else if( fds[i].revents & POLLRDHUP )
            {//客户端退出是触发，POLLRDHUP：TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作
                users[fds[i].fd] = users[fds[user_counter].fd];
                close( fds[i].fd );
                fds[i] = fds[user_counter];
                i--;
                user_counter--;
                printf( "a client left\n" );
            }//else if( fds[i].revents & POLLRDHUP ) end
            
            else if( fds[i].revents & POLLIN )
            {
                int connfd = fds[i].fd;
                memset( users[connfd].buf, '\0', BUFFER_SIZE );
                ret = recv( connfd, users[connfd].buf, BUFFER_SIZE-1, 0 );
                printf( "get %d bytes of client data %s from %d\n", ret, users[connfd].buf, connfd );
                if( ret < 0 )
                {
                    if( errno != EAGAIN )
                    {
                        close( connfd );
                        users[fds[i].fd] = users[fds[user_counter].fd];
                        fds[i] = fds[user_counter];
                        i--;
                        user_counter--;
                    }
                }
                else if( ret == 0 )
                {
                    printf( "code should not come to here\n" );
                }
                else
                {
                    for( int j = 1; j <= user_counter; ++j )
                    {
                        if( fds[j].fd == connfd )
                        {
                            continue;
                        }
                        
                        fds[j].events |= ~POLLIN;
                        fds[j].events |= POLLOUT;
                        users[fds[j].fd].write_buf = users[connfd].buf;
                    }
                }
            }//else if( fds[i].revents & POLLIN ) end
            
            else if( fds[i].revents & POLLOUT )
            {
                int connfd = fds[i].fd;
                if( ! users[connfd].write_buf )
                {
                    continue;
                }
                ret = send( connfd, users[connfd].write_buf, strlen( users[connfd].write_buf ), 0 );
                users[connfd].write_buf = NULL;
                fds[i].events |= ~POLLOUT;
                fds[i].events |= POLLIN;
            }
            
        }//for end
    }//while end

    delete [] users;
    close( listenfd );
    return 0;
}

#define _GNU_SOURCE 1       //client.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>
#include <fcntl.h>

#define BUFFER_SIZE 64

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero( &server_address, sizeof( server_address ) );
    server_address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &server_address.sin_addr );
    server_address.sin_port = htons( port );

    int sockfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    printf("Sockfd:[%d]\n", sockfd);
    assert( sockfd >= 0 );
    if ( connect( sockfd, ( struct sockaddr* )&server_address, sizeof( server_address ) ) < 0 )
    {
        printf( "connection failed\n" );
        close( sockfd );
        return 1;
    }

    pollfd fds[2];
    fds[0].fd = 0;       //标准输入
    fds[0].events = POLLIN;
    fds[0].revents = 0;
    fds[1].fd = sockfd;
    fds[1].events = POLLIN | POLLRDHUP;
    fds[1].revents = 0;
    char read_buf[BUFFER_SIZE];
    int pipefd[2];
    int ret = pipe( pipefd );
    assert( ret != -1 );

    while( 1 )
    {
        ret = poll( fds, 2, -1 );
        if( ret < 0 )
        {
            printf( "poll failure\n" );
            break;
        }

        if( fds[1].revents & POLLRDHUP )
        {
            printf( "server close the connection\n" );
            break;
        }
        else if( fds[1].revents & POLLIN )
        {
            memset( read_buf, '\0', BUFFER_SIZE );
            recv( fds[1].fd, read_buf, BUFFER_SIZE-1, 0 );
            printf( "%s\n", read_buf );
        }

        if( fds[0].revents & POLLIN )
        {
            ret = splice( 0, NULL, pipefd[1], NULL, 32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE );
            ret = splice( pipefd[0], NULL, sockfd, NULL, 32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE );
        }
    }
    
    close( sockfd );
    return 0;
}

运行过程：

(1)运行服务器端代码

(2)运行客户端代码并发送消息

(3)服务器端转发消息的情况如下：

 

参考：https://blog.csdn.net/davidsguo008/article/details/73556811