操作系统在处理io的时候,主要有两个阶段:

  • 等待数据传到io设备
  • io设备将数据复制到user space

我们一般将上述过程简化理解为:

  • 等到数据传到kernel内核space
  • kernel内核区域将数据复制到user space(理解为进程或者线程的缓冲区)

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。


 

select

单个进程就可以同时处理多个网络连接的io请求(同时阻塞多个io操作)。基本原理就是程序呼叫select,然后整个程序就阻塞状态,这时候,kernel内核就会轮询检查所有select负责的文件描述符fd,当找到其中那个的数据准备好了文件描述符,会返回给select,select通知系统调用,将数据从kernel内核复制到进程缓冲区(用户空间)。

下图为select同时从多个客户端接受数据的过程

虽然服务器进程会被select阻塞,但是select会利用内核不断轮询监听其他客户端的io操作是否完成


Poll介绍

poll的原理与select非常相似,差别如下:

  • 描述fd集合的方式不同,poll使用 pollfd 结构而不是select结构fd_set结构,所以poll是链式的,没有最大连接数的限制
  • poll有一个特点是水平触发,也就是通知程序fd就绪后,这次没有被处理,那么下次poll的时候会再次通知同个fd已经就绪。

select的几大缺点:

(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


细谈事件驱动–>epoll

epoll 提供了三个函数:

  • int epoll_create(int size);
    建立一個 epoll 对象,并传回它的id
  • int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    事件注册函数,将需要监听的事件和需要监听的fd交给epoll对象
  • int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    等待注册的事件被触发或者timeout发生

epoll解决的问题:

  • epoll没有fd数量限制
    epoll没有这个限制,我们知道每个epoll监听一个fd,所以最大数量与能打开的fd数量有关,一个g的内存的机器上,能打开10万个左右
  • epoll不需要每次都从用户空间将fd_set复制到内核kernel
    epoll在用epoll_ctl函数进行事件注册的时候,已经将fd复制到内核中,所以不需要每次都重新复制一次
  • select 和 poll 都是主动轮询机制,需要遍历每一个人fd;
    epoll是被动触发方式,给fd注册了相应事件的时候,我们为每一个fd指定了一个回调函数,当数据准备好之后,就会把就绪的fd加入一个就绪的队列中,epoll_wait的工作方式实际上就是在这个就绪队列中查看有没有就绪的fd,如果有,就唤醒就绪队列上的等待者,然后调用回调函数。
  • 虽然epoll。poll。epoll都需要查看是否有fd就绪,但是epoll之所以是被动触发,就在于它只要去查找就绪队列中有没有fd,就绪的fd是主动加到队列中,epoll不需要一个个轮询确认。
    换一句话讲,就是select和poll只能通知有fd已经就绪了,但不能知道究竟是哪个fd就绪,所以select和poll就要去主动轮询一遍找到就绪的fd。而epoll则是不但可以知道有fd可以就绪,而且还具体可以知道就绪fd的编号,所以直接找到就可以,不用轮询。

总结

  • select, poll是为了解決同时大量IO的情況(尤其网络服务器),但是随着连接数越多,性能越差
  • epoll是select和poll的改进方案,在 linux 上可以取代 select 和 poll,可以处理大量连接的性能问题

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