IO多路复用：select、poll、epoll的底层区别

1. select

工作原理：
  • select 使用一个固定大小的数组来存储需要监控的文件描述符。这个数组的大小通常是限制在 FD_SETSIZE（通常为 1024）内。
  • 当调用 select 时，操作系统会检查每个文件描述符的状态，确定哪些描述符准备好进行 I/O 操作。
  • select 是阻塞的，即如果没有文件描述符准备好，它会阻塞调用线程直到有文件描述符变为可用状态，或达到超时。
优缺点：
  • 优点：
    • 简单易用，适合于小规模的文件描述符监控。
  • 缺点：
    • 不支持超过 FD_SETSIZE 的文件描述符。
    • 每次调用都需要将文件描述符数组复制到内核空间，性能开销大。
    • 每次调用时都要遍历整个文件描述符集合，效率低下，尤其是在大量文件描述符时。

2. poll

工作原理：
  • poll 使用一个可变大小的数组（pollfd 结构体数组）来存储需要监控的文件描述符。与 select 不同，poll 不再受到 FD_SETSIZE 的限制。
  • 调用 poll 时，它会检查 pollfd 数组中每个描述符的状态，并返回准备好 I/O 操作的文件描述符数量。
  • poll 也是阻塞的。
优缺点：
  • 优点：
    • 不受 FD_SETSIZE 的限制，可以处理任意数量的文件描述符。
    • 结构更灵活，能够更容易地扩展。
  • 缺点：
    • 仍然需要在每次调用时遍历整个数组，性能问题仍然存在。
    • 每次调用时，文件描述符状态的更新需要复制数据到内核，性能开销依旧。

3. epoll

工作原理：
  • epoll 是为了解决 select 和 poll 的一些性能瓶颈而设计的。它使用一个文件描述符来表示一个 epoll 实例。
  • epoll 通过 epoll_ctl 添加和删除文件描述符，而不是在每次调用中传递整个文件描述符数组。它维护了一个内核中的事件表。
  • epoll_wait 只返回准备好 I/O 操作的文件描述符，而不是遍历所有描述符。
  • 可以选择边缘触发（Edge Triggered）和水平触发（Level Triggered）模式。
  • 在水平触发模式下，当某个文件描述符（FD）变为可读、可写或发生异常时，epoll_wait 会返回该文件描述符的事件。只要文件描述符的状态满足条件（如可读），即使后续调用 epoll_wait 也会继续返回该文件描述符，直到应用程序将所有数据读出或写入完成。应用程序可以多次读取数据，确保数据不会丢失。适合需要确保数据完整处理的场景。
  • 在边缘触发模式下，当文件描述符的状态发生变化（例如从不可读变为可读）时，epoll_wait 会返回该文件描述符。一旦状态变化通知后，只有在后续状态再次变化时（如读入数据后再次变为可读），才会再次触发通知。如果没有读取所有可用数据，可能会错过后续的事件通知。适合高性能和高并发的场景。
优缺点：
  • 优点：
    • 高效：适用于大量并发连接，尤其是在高并发的场景下，性能显著提高。
    • 不需要在每次调用时复制文件描述符的状态，减少了开销。
    • 只返回准备好的描述符，避免了遍历所有描述符的开销。
  • 缺点：
    • API 比较复杂，使用上相对 select 和 poll 难度较高。
    • 只在 Linux 系统中可用，移植性较差。

总结

特性selectpollepoll
文件描述符限制有 (FD_SETSIZE)没有没有
数据结构固定大小的位图可变大小的结构体数组内核维护的事件表
调用性能O(n)，每次遍历O(n)，每次遍历O(1)，只返回活跃的文件描述符
内存复制每次调用都需要每次调用都需要仅在添加/删除时需要
触发模式水平触发水平触发支持水平触发和边缘触发
适用场景小型应用中型应用大型高并发应用
  • select：简单但有文件描述符数量限制，性能在高并发情况下不佳。
  • poll：解决了 select 的限制，但性能依然受到遍历数组的影响。
  • epoll：最适合高并发场景，提供更高的性能和更灵活的接口，适合处理大量文件描述符。

代码示例

每个示例都创建了一个简单的 TCP 服务器，接收客户端的连接请求并处理数据。

1. 使用 select

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[1024] = {0};// 创建 socketif ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置 socket 选项setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));// 绑定address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));// 监听listen(server_fd, MAX_CLIENTS);fd_set read_fds;int max_sd;while (true) {// 清空 fd_setFD_ZERO(&read_fds);FD_SET(server_fd, &read_fds);max_sd = server_fd;// 添加客户端 socketsfor (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (FD_ISSET(i, &read_fds) && i > 0) {FD_SET(i, &read_fds);if (i > max_sd) max_sd = i;}}// 调用 selectint activity = select(max_sd + 1, &read_fds, nullptr, nullptr, nullptr);if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {std::cerr << "select error" << std::endl;}// 处理新连接if (FD_ISSET(server_fd, &read_fds)) {if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}std::cout << "New connection: " << new_socket << std::endl;FD_SET(new_socket, &read_fds);}// 处理客户端请求for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (FD_ISSET(i, &read_fds)) {int valread = read(i, buffer, 1024);if (valread == 0) {// 客户端断开连接std::cout << "Client disconnected: " << i << std::endl;close(i);FD_CLR(i, &read_fds);} else {buffer[valread] = '\0';std::cout << "Received from client " << i << ": " << buffer << std::endl;send(i, buffer, valread, 0); // 回送数据}}}}return 0;
}

2. 使用 poll

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[1024] = {0};// 创建 socketif ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置 socket 选项setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));// 绑定address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));// 监听listen(server_fd, MAX_CLIENTS);struct pollfd fds[MAX_CLIENTS + 1];fds[0].fd = server_fd;fds[0].events = POLLIN;for (int i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {fds[i].fd = -1; // 初始化客户端 sockets}while (true) {int activity = poll(fds, MAX_CLIENTS + 1, -1); // 等待无限期if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {std::cerr << "poll error" << std::endl;}// 处理新连接if (fds[0].revents & POLLIN) {if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}std::cout << "New connection: " << new_socket << std::endl;for (int i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {if (fds[i].fd == -1) {fds[i].fd = new_socket;fds[i].events = POLLIN;break;}}}// 处理客户端请求for (int i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {if (fds[i].fd > 0 && (fds[i].revents & POLLIN)) {int valread = read(fds[i].fd, buffer, 1024);if (valread == 0) {// 客户端断开连接std::cout << "Client disconnected: " << fds[i].fd << std::endl;close(fds[i].fd);fds[i].fd = -1; // 标记为无效} else {buffer[valread] = '\0';std::cout << "Received from client " << fds[i].fd << ": " << buffer << std::endl;send(fds[i].fd, buffer, valread, 0); // 回送数据}}}}return 0;
}

3. 使用 epoll

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[1024] = {0};// 创建 socketif ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置 socket 选项setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));// 绑定address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));// 监听listen(server_fd, MAX_CLIENTS);// 创建 epoll 实例int epoll_fd = epoll_create1(0);struct epoll_event event, events[MAX_CLIENTS];// 添加 server socket 到 epollevent.events = EPOLLIN;event.data.fd = server_fd;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_fd, &event);while (true) {int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_CLIENTS, -1);for (int i = 0; i < num_events; i++) {if (events[i].data.fd == server_fd) {// 处理新连接if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}std::cout << "New connection: " << new_socket << std::endl;// 将新连接的 socket 添加到 epollevent.events = EPOLLIN;event.data.fd = new_socket;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, new_socket, &event);} else {// 处理客户端请求int valread = read(events[i].data.fd, buffer, 1024);if (valread == 0) {// 客户端断开连接std::cout << "Client disconnected: " << events[i].data.fd << std::endl;close(events[i].data.fd);} else {buffer[valread] = '\0';std::cout << "Received from client " << events[i].data.fd << ": " << buffer << std::endl;send(events[i].data.fd, buffer, valread, 0); // 回送数据}}}}return 0;

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