IO 多路復用 select vs pool vs epool

前言

在類 unix linux 系統(tǒng)中每一個進程都存在一個文件描述符表拾徙，表指向具體的文件胆屿，比如 socket, 設備（devices）, 和其他操作系統(tǒng)對象蒿褂。

IO多路復用（IO Multiplexing ）出現(xiàn)的背景

多個io資源協(xié)同工作的系統(tǒng)潘拨，具有典型的兩個階段绩衷，初始化階段蹦魔，然后進入等待模式激率，等待客戶端發(fā)起請求并對其進行相應。
簡單的實現(xiàn)是對每一個客戶端socket 請求創(chuàng)建一個thread 線程勿决，在read 的時候block 阻塞乒躺，直至一個請求被發(fā)送并且接受到一個寫入（write)的響應。
這種工作模式在客戶端client 比較少的時候是ok 的低缩，但是如果在大規(guī)模的客戶端請求調(diào)度中嘉冒，為每個client 都創(chuàng)建一個線程是非常不好的。

io 多路復用應運而生咆繁。

IO Multiplexing 模式的支持

實現(xiàn)思想是：采用內(nèi)核機制來輪詢一組文件描述符讳推，在linux 中有以下三種支持。

它們的實現(xiàn)思路一樣玩般，都是創(chuàng)建一組標志讀（read）寫（write）的文件描述符银觅，并告知內(nèi)核，并用一個線程阻塞一個函數(shù)調(diào)用坏为，直到一個文件描述符的操作（read/write）可用究驴。

select()
pool()
epool()

select() 系統(tǒng)調(diào)用

select () 指令

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

對一個select 指令的調(diào)用會被阻塞，直到給定的文件描述符執(zhí)行IO 操作匀伏，或則在指定的過期時間內(nèi)失效洒忧，被監(jiān)視的文件描述符分為三組。

readfds: 監(jiān)視 readfds集中列出的文件描述符够颠，以查看是否有數(shù)據(jù)可讀取熙侍。
writefds: 監(jiān)視 writefds 集中列出的文件描述符，已查看是否寫入操作完成且沒有發(fā)生阻塞摧找。
exceptfds : 監(jiān)視是否出現(xiàn)異常核行，或則帶外數(shù)據(jù)（OOB）可用。

select 沒有監(jiān)察到上述事件就會返回null蹬耘。成功返回則修改每個集合芝雪。使其僅包含已經(jīng)準備就緒的文件描述符。

因為需要告知 select() 最大的文件描述符編號综苔，這是fd_sets 的內(nèi)部實現(xiàn)惩系。

【在fd_set 中一個fd(file description) 文件描述占用 1bit, fd_set 是length 為32 的整數(shù)數(shù)組，（32 x 4byte x 8bit = 1024bit）如筛，假設存在 8個文件描述符堡牡，最大的文件描述符值為1000，那么將會在0 ~ 1000 中找到監(jiān)視的文件描述符】

這也是一個弊端杨刨，因為需要在每次輪詢迭代時重新構建文件描述符集晤柄。

select () 總結

在每次調(diào)用前需要重新構建每個fd_set 集合。
函數(shù)調(diào)用監(jiān)視文件描述符最大值N 范圍內(nèi)的任何位妖胀，時間復雜度為 O(N)芥颈。
需要輪詢遍歷文件描述符集惠勒，檢查是否存在于從 select() 返回的集合中。
select 最大的優(yōu)勢是輕便爬坑，可移植纠屋，任何unix 系統(tǒng)都支持。

pool() 系統(tǒng)調(diào)用

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

與select () 采用3個基于標記位的文件描述符集不同盾计，pool 采用一個pollfd 結構售担，原型更簡單。

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

為每一個文件描述符構建一個 pollfd 類型的兌對象署辉，并填充請求（request）事件族铆，然后輪詢返回響應，檢查返回事件(revents)字段涨薪。

與selelct() 類似骑素，需要檢測每一個pollfd 對象去看它的文件描述符是否已準備好，刚夺，但是不需要在每次輪詢時重新構建文件描述符集献丑。

epool() 系統(tǒng)調(diào)用

pool() ,select() 工作時，我們需要在用戶空間管理任何事情侠姑，在每次調(diào)用發(fā)送文件描述符集時陷入阻塞等待创橄。添加另外的socket ，我們需要把它加入到集合中并再一次調(diào)用 pool() select()莽红。

epool() 幫助我們在內(nèi)核中創(chuàng)建和管理上下文妥畏，可以分為以下三步：

調(diào)用 epool_create 在內(nèi)核中創(chuàng)建上下文。
調(diào)用epool_ctl 在上線文中添加或刪除文件描述符安吁。
采用epool_wait 等待上下文中的事件醉蚁。

pool() vs select()

pool() 不需要用戶去計算文件描述符最大數(shù)+1。
pool() 對于很大數(shù)值的文件描述符更有效率鬼店。
select() 的文件描述符集是固定的大小网棍。
采用select() 系統(tǒng)調(diào)用，文件描述符集在返回后被重新構造妇智，因此接下來的調(diào)用必須重新實例化滥玷，pool() 將輸入（event 字段）和輸出（output ）分開，從而允許文件描述符集可以重用而無需改動巍棱。
select() 更輕便惑畴，一些unix 系統(tǒng)不支持 pool()。

epool vs pool vs select

在等待io 響應的時候可以添加或刪除文件描述符航徙。
epool_wait 僅返回具有已經(jīng)準備的文件描述符的對象如贷。
epool 擁有更高的性能，時間復雜度為 O(1)。
epool 可以表現(xiàn)為水平觸發(fā)杠袱，和邊緣觸發(fā)泻红。
epool 是linux 特有的，不具有很好的可移植性霞掺。