Linux IO复用：select、poll、epoll的理解与对比

程序员文章站 2022-03-14 10:14:36

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IO多路复用

select系统调用

poll系统调用

Epoll *系统调用

Epoll vs select/poll

Linux（实际上是Unix）的一个基本概念是Unix / Linux中的所有内容都是文件的规则。每个进程都有一个文件描述符表，该表指向文件，套接字，设备和其他操作系统对象。

与许多IO源一起使用的典型系统具有初始化阶段，然后进入某种待机模式–等待任何客户端发送请求并对其进行响应

Linux IO复用：select、poll、epoll的理解与对比

一个简单的解决方案是为每个客户端创建一个线程（或进程），在读取之前阻止该线程，直到发送请求并写入响应为止。这对于少量客户端来说是可以的，但是如果我们想将其扩展到数百个客户端，则为每个客户端创建一个线程是一个坏主意

IO多路复用

解决方案是使用内核机制来轮询一组文件描述符。您可以在Linux中使用3个选项：

select（2）
poll（2）
epoll

以上所有方法都具有相同的思想，创建一组文件描述符，告诉内核您希望对每个文件描述符（读，写，..）做什么，并使用一个线程阻塞一个函数调用，直到至少一个文件描述符请求的操作可用

select系统调用

select（）系统调用提供了一种用于实现同步多路复用I / O的机制

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

对select（）的调用将一直阻塞，直到给定的文件描述符准备好执行I / O为止，或者直到经过可选的指定超时为止

监视的文件描述符分为三组

监视readfds集中列出的文件描述符，以查看是否有数据可读取。
监视writefds集中列出的文件描述符，以查看写操作是否将完成而不会阻塞。
监视exceptionfds集中的文件描述符以查看是否发生异常，或者是否有带外数据可用（这些状态仅适用于套接字）。

给定的集合可以为NULL，在这种情况下，select（）不会监视该事件。

成功返回后，将修改每个集合，以使其仅包含准备好由该集合描述的类型的I / O的文件描述符。

例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <wait.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
 
#define MAXBUF 256
 
void child_process(void)
{
  sleep(2);
  char msg[MAXBUF];
  struct sockaddr_in addr = {0};
  int n, sockfd,num=1;
  srandom(getpid());
  /* Create socket and connect to server */
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(2000);
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
 
  connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
 
  printf("child {%d} connected \n", getpid());
  while(1){
        int sl = (random() % 10 ) +  1;
        num++;
     	sleep(sl);
  	sprintf (msg, "Test message %d from client %d", num, getpid());
  	n = write(sockfd, msg, strlen(msg));	/* Send message */
  }
 
}
 
int main()
{
  char buffer[MAXBUF];
  int fds[5];
  struct sockaddr_in addr;
  struct sockaddr_in client;
  int addrlen, n,i,max=0;;
  int sockfd, commfd;
  fd_set rset;
  for(i=0;i<5;i++)
  {
  	if(fork() == 0)
  	{
  		child_process();
  		exit(0);
  	}
  }
 
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  memset(&addr, 0, sizeof (addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(2000);
  addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr ,sizeof(addr));
  listen (sockfd, 5); 
 
  for (i=0;i<5;i++) 
  {
    memset(&client, 0, sizeof (client));
    addrlen = sizeof(client);
    fds[i] = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    if(fds[i] > max)
    	max = fds[i];
  }
  
  while(1){
	FD_ZERO(&rset);
  	for (i = 0; i< 5; i++ ) {
  		FD_SET(fds[i],&rset);
  	}
 
   	puts("round again");
	select(max+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
 
	for(i=0;i<5;i++) {
		if (FD_ISSET(fds[i], &rset)){
			memset(buffer,0,MAXBUF);
			read(fds[i], buffer, MAXBUF);
			puts(buffer);
		}
	}	
  }
  return 0;
}

我们从创建5个子进程开始，每个进程都连接到服务器并将消息发送到服务器。服务器进程使用accept（2）为每个客户端创建一个不同的文件描述符。select（2）中的第一个参数应该是三个集合中编号最高的文件描述符，加上1，因此我们检查了最大fd num

主无限循环创建一组所有文件描述符，调用选择并在返回时检查哪个文件描述符已准备好读取。为简单起见，我没有添加错误检查

返回时，select将集合更改为仅包含已准备好的文件描述符，因此我们需要在每次迭代时再次构建该集合。

我们需要告诉选择什么是编号最高的文件描述符，这是fd_set的内部实现。每个fd都用一位声明，因此fd_set是32个整数的数组（32 * 32bit = 1024位）。该功能检查任何位以查看其设置是否达到最大值。这意味着如果我们有5个文件描述符，但最大数目是900，则该函数将检查0到900之间的任何位以找到要观看的文件描述符。有一个posix替代选择– pselect，它在等待时添加信号掩码（请参见手册页）

选择–摘要：

我们需要在每次通话之前建立每个集合
该功能检查最高位数– O（n）的任何位
我们需要遍历文件描述符以检查它是否存在于select返回的集合中
select的主要优点是它具有很高的可移植性-像OS一样的每个Unix都有它

poll系统调用

与select（）不同的是，由于select（）的三组基于位掩码的文件描述符效率不高，poll（）采用了nfds pollfd结构的单个数组。原型更简单：

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

pollfd结构的事件和返回事件具有不同的字段，因此我们不必每次都构建它：

struct pollfd {
      int fd;
      short events; 
      short revents;
};

对于每个文件描述符，构建一个类型为pollfd的对象，并填充所需的事件。民意调查返回后，检查revents字段

要将上面的示例更改为使用poll：

  for (i=0;i<5;i++) 
  {
    memset(&client, 0, sizeof (client));
    addrlen = sizeof(client);
    pollfds[i].fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    pollfds[i].events = POLLIN;
  }
  sleep(1);
  while(1){
  	puts("round again");
	poll(pollfds, 5, 50000);
 
	for(i=0;i<5;i++) {
		if (pollfds[i].revents & POLLIN){
			pollfds[i].revents = 0;
			memset(buffer,0,MAXBUF);
			read(pollfds[i].fd, buffer, MAXBUF);
			puts(buffer);
		}
	}
  }

就像我们对select所做的一样，我们需要检查每个pollfd对象以查看其文件描述符是否已准备就绪，但是我们不需要在每次迭代时都构建集合

投票与选择

poll（）不需要用户计算编号最大的文件描述符的值+1
poll（）对于大值文件描述符更有效。想象一下，通过select（）观察值为900的单个文件描述符—内核将必须检查每个传入集合的每个位，直到第900位。
select（）的文件描述符集是静态大小的。
使用select（），文件描述符集将在返回时重建，因此每个后续调用都必须重新初始化它们。poll（）系统调用将输入（事件字段）与输出（保留字段）分开，从而使阵列可以重复使用而无需更改。
select（）的超时参数在返回时未定义。可移植代码需要重新初始化它。这不是pselect（）的问题
由于某些Unix系统不支持poll（），因此select（）具有更高的可移植性。

Epoll *系统调用

在使用选择和轮询时，我们将管理用户空间中的所有内容，并在每次呼叫时发送设置以等待。要添加另一个套接字，我们需要将其添加到集合中，然后再次调用select / poll。

Epoll *系统调用可帮助我们在内核中创建和管理上下文。我们将任务分为3个步骤：

使用epoll_create在内核中创建上下文
使用epoll_ctl向/从上下文中添加和删除文件描述符
使用epoll_wait等待上下文中的事件

让我们将上面的示例更改为使用epoll：

 struct epoll_event events[5];
  int epfd = epoll_create(10);
  ...
  ...
  for (i=0;i<5;i++) 
  {
    static struct epoll_event ev;
    memset(&client, 0, sizeof (client));
    addrlen = sizeof(client);
    ev.data.fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    ev.events = EPOLLIN;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, ev.data.fd, &ev); 
  }
  
  while(1){
  	puts("round again");
  	nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, 10000);
	
	for(i=0;i<nfds;i++) {
			memset(buffer,0,MAXBUF);
			read(events[i].data.fd, buffer, MAXBUF);
			puts(buffer);
	}
  }

我们首先创建一个上下文（该参数将被忽略，但必须为正数）。当客户端连接时，我们创建一个epoll_event对象并将其添加到上下文中，并且在无限循环中，我们仅在上下文中等待。