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前言IO multiplexing - IO复用IO多路复用的优势selectselect函数select的使用select的缺点select的优势 pollepollepoll函数epoll_createepoll_ctlepoll_wait 工作模式 总结Reference前言
I/O多路复用（multiplexing）的本质是通过一种机制（系统内核缓冲I/O数据），让单个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。
select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为它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
IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者，本文重点讲解网络IO。
对于一个network IO，它会涉及到两个系统对象：
application：调用这个IO的进程kernel：系统内核
它们经历的两个交互过程是：
阶段1： wait for data，等待数据准备阶段2： copy data from kernel to user，将数据从内核拷贝到用户进程中
IO multiplexing - IO复用
I/O多路复用(multiplexing)是网络编程中最常用的模型，最常用的select、poll、epoll都属于这种模型。以select为例：
看起来它与blocking I/O很相似，两个阶段都阻塞。但它与blocking I/O的一个重要区别就是它可以等待多个数据报就绪（datagram ready），即可以处理多个连接。这里的select相当于一个"代理"，调用select以后进程会被select阻塞，这时候在内核空间内select会监听指定的多个datagram (如socket连接)，如果其中任意一个数据就绪了就返回。此时程序再进行数据读取操作，将数据拷贝至当前进程内。由于select可以监听多个socket，可以用它来处理多个连接。
在select模型中每个socket一般都设置成non-blocking，虽然等待数据阶段仍然是阻塞状态，但是它是被select调用阻塞的，而不是直接被I/O阻塞的。select底层通过轮询机制来判断每个socket读写是否就绪。
select也有一些缺点，比如底层轮询机制会增加开销、支持的文件描述符数量过少等。为此，Linux引入了epoll作为select的改进版本。
IO多路复用的优势
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销select
select函数
函数原型：
#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
函数参数：
maxfdp1：指定待测试的描述符个数
readset、writeset、exceptset：指定要让内核监控的可写、可读、异常的描述符，如果对某一个的条件不感兴趣，可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：
void FD_ZERO(fd_set *fdset);：清空集合void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);：将一个给定的文件描述符加入集合之中void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);：将一个给定的文件描述符从集合中删除int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);：检查集合中指定的文件描述符是否可以读写
timeout：告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间
struct timeval{long tv_sec; //secondslong tv_usec; //microseconds};
这个参数有三种可能： 永远等待下去：仅在有一个描述符准备好时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL等待一段固定时间：在有一个描述符准备好时返回，否则超时返回根本不等待：检查描述符后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。
返回值：
若有就绪描述符返回其数目，若超时则为0，若出错则为-1
select函数监控3类文件描述符，调用select函数后会阻塞，直到描述符fd准备就绪（有数据可读、可写、异常）或者超时，函数便返回。 当select函数返回后，可通过遍历描述符集合，找到就绪的描述符。
select的使用
SOCKADDR_IN addrSrv;int reuse = 1;SOCKET sockSrv,connsock;SOCKADDR_IN addrClient;pool pool;int len=sizeof(SOCKADDR);/*创建TCP*/sockSrv=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*地址、端口的绑定*/addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);addrSrv.sin_family=AF_INET;addrSrv.sin_port=htons(port);if(bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR))<0){fprintf(stderr,"Failed to bind");return ;}if(listen(sockSrv,5)<0){fprintf(stderr,"Failed to listen socket");return ;}setsockopt(sockSrv,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,(const char*)&reuse,sizeof(reuse));init_pool(sockSrv,&pool);while(1){/*通过selete设置为异步模式*/pool.ready_set=pool.read_set;pool.nready=select(pool.maxfd+1,&pool.ready_set,NULL,NULL,NULL);if(FD_ISSET(sockSrv,&pool.ready_set)){connsock=accept(sockSrv,(SOCKADDR *)&addrClient,&len);//loadDeal()/*连接处理*/add_client(connsock,&pool);//添加到连接池}/*检查是否有事件发生*/check_client(&pool);}
上面是一个服务器代码的关键部分，设置为异步的模式，然后接受到连接将其添加到连接池中。监听描述符上使用select，接受客户端的连接请求，在check_client函数中，遍历连接池中的描述符，检查是否有事件发生。
select的缺点
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
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
为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的fd_set集合大小做了限制，并且这个是通过宏控制的，大小不可改变(限制为1024)
select的优势
从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的poll
#include <sys/poll.h>/*** fds：要监视的描述符* nfds：fds中描述符的总数量* 返回值：返回fds集合中就绪的读、写，或出错的描述符数量，返回0表示超时，返回-1表示出错；**/int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);// 表示监视的描述符struct pollfd {int fd; /* file descriptor */short events; /* requested events to watch 监视的请求事件 */short revents; /* returned events witnessed 已发生的事件 */};
poll的使用和select基本类似，相比select，poll解决了单个进程能够打开的文件描述符数量有限制这个问题，和select函数一样，当poll函数返回后，可以通过遍历描述符集合，找到就绪的描述符。
select和poll共同具有的一个很大的缺点就是包含大量fd的数组被整体复制于用户态和内核态地址空间之间，开销会随着fd（文件描述符）数量增多而线性增大。
此外，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。同时连接的大量客户端在同一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其性能会线性下降。
epoll
目前，epoll是Linux2.6下最高效的IO复用方式，也是Nginx、Node的IO实现方式。epoll的出现，解决了select、poll的缺点：
基于事件驱动的方式，避免了每次都要把所有fd（文件描述符）都扫描一遍epoll_wait只返回就绪的fd（文件描述符）epoll使用nmap内存映射技术避免了内存复制的开销epoll的fd（文件描述符）数量上限是操作系统的最大文件句柄数目，这个数目一般和内存有关，通常远大于1024
epoll函数
#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
epoll_create
创建一个epoll句柄，参数size表明内核要监听的描述符数量。调用成功时返回一个epoll句柄描述符，失败时返回-1epoll_ctl
注册要监听的事件类型，参数解释如下：
epfd表示epoll句柄
op表示fd操作类型，有如下3种
EPOLL_CTL_ADD 注册新的fd到epfd中EPOLL_CTL_MOD 修改已注册的fd的监听事件EPOLL_CTL_DEL 从epfd中删除一个fd
fd是要监听的描述符
event表示要监听的事件
struct epoll_event {__uint32_t events; /* Epoll events */epoll_data_t data; /* User data variable */};typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;__uint32_t u32;__uint64_t u64;} epoll_data_t;
epoll_wait
等待事件的就绪，成功时返回就绪的事件数目，调用失败时返回 -1，等待超时返回 0。
epfd是epoll句柄events表示从内核得到的就绪事件集合maxevents告诉内核events的大小timeout表示等待的超时事件
工作模式
水平触发（Level Triggered，LT）：当就绪的fd（文件描述符）未被用户进程处理，下一次查询依旧会返回，这也是select和poll的触发方式
边缘触发（Edge Triggered，ET）：无论就绪的fd（文件描述符）是否被处理，下一次不再返回。理论上性能更高，但是实现相当复杂，并且任何意外的丢失事件都会造成请求处理错误。epoll默认使用水平触发，通过相应选项可以使用边缘触发
总结
epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。目前流行的高性能web服务器Nginx正式依赖于epoll提供的高效网络套接字轮询服务。但是，在并发连接不高的情况下，多线程+阻塞I/O方式可能性能更好。
Reference
一文读懂阻塞、非阻塞、同步、异步
IO多路复用的三种机制
select/poll/epoll对比分析
select、poll、epoll之间的区别总结
IO多路复用之select总结
IO多路复用之poll总结
IO多路复用之epoll总结
