os-网络IO模型

IO多路复用

select、poll、epoll之间的区别总结[整理]

• select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。
• 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，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。
• 关于这三种IO多路复用的用法，前面三篇总结写的很清楚，并用服务器回射echo程序进行了测试。连接如下所示：

select：http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/08/14/3258674.html

poll：http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/08/15/3261006.html

epoll：http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/08/17/3263780.html

select实现

• select的调用过程如下所示：

  （1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

  （2）注册回调函数__pollwait

  （3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

  （4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。

  （5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

  （6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

  （7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout使调用select的进程（也就是current）进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

  （8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

缺点

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

poll实现

poll的实现和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，其他的都差不多。

• 关于select和poll的实现分析，可以参考下面几篇博文：
  • http://blog.csdn.net/lizhiguo0532/article/details/6568964#comments
  • http://blog.csdn.net/lizhiguo0532/article/details/6568968
  • http://blog.csdn.net/lizhiguo0532/article/details/6568969
  • http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-edntwk/index.html?ca=drs-
  • http://linux.chinaunix.net/techdoc/net/2009/05/03/1109887.shtml

epoll

epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，

• epoll_create是创建一个epoll句柄；
• epoll_ctl是注册要监听的事件类型；
• epoll_wait则是等待事件的产生。

epoll改进

• 对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。
• 对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样 每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中 ，而只在epoll_ctl时把current挂一遍（这一遍必不可少）并为每个fd指定一个 回调函数 ，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时， 就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表） 。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（利用schedule_timeout()实现睡一会，判断一会的效果，和select实现中的第7步是类似的）。
• 对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048,举个例子,在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。

代码对比

/*select的回调函数，将当前进程添加到fd的等待队列上
 * 该函数可以看到，是初始化了一个entry的结构，在init_waitqueue_entry函数中，将当前进程设置为了该entry的私有值，
 * 并且在将唤醒函数绑定
 */
static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address, poll_table *p)
{
	struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);
	if (!entry)
		return;
	get_file(filp);
	entry->filp = filp;
	entry->wait_address = wait_address;
	init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);
	add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
{
	q->flags = 0;
	q->private = p;
	q->func = default_wake_function;
}



/*
 * epoll的回调函数
 * This is the callback that is used to add our wait queue to the
 * target file wakeup lists.
 * 该函数与select差不多，但是初始化等待队列的item时，并未把当前进程设置为私有值
 * 而item的func并不是唤醒函数，而是一个回调函数
 */
static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt)
{
	struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
	struct eppoll_entry *pwq;
 
	if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
		init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
		pwq->whead = whead;
		pwq->base = epi;
		add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
		list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
		epi->nwait++;
	} else {
		/* We have to signal that an error occurred */
		epi->nwait = -1;
	}
}

static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q, wait_queue_func_t func)
{
	q->flags = 0;
	q->private = NULL;
	q->func = func;
}

总结：

（1） select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替 。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替， 但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程 。虽然都要睡眠和交替， 但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间 。这就是回调机制带来的性能提升。

（2） select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次 （在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

参考资料：

• https://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html
• http://www.cnblogs.com/apprentice89/archive/2013/05/09/3070051.html
• http://www.linuxidc.com/Linux/2012-05/59873p3.htm
• http://xingyunbaijunwei.blog.163.com/blog/static/76538067201241685556302/
• http://blog.csdn.net/kkxgx/article/details/7717125
• https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/epoll-example.c