I/O多路复用的三种机制（select、poll、epoll）

select、poll、epoll是用于I/O所路服用的三种机制，常见于Linux系统中，用于高效处理多个文件描述符的I/O事件。

select

select是最早的I/O多路复用机制，允许程序监听多个文件描述符，等待其中一个或多个变为可读、可写或出现异常。

• 特点：

  • 通过fd_set数据结构管理文件描述符。
  • 支持的文件描述符数量有限（通常为1024）。
  • 每次调用都需要将fd_set从用户空间拷贝到内核空间。
  • 每次调用都需要遍历所有文件描述符，时间复杂度为O(n)。

• 优点：

  • 跨平台支持，几乎所有操作系统都支持了select。
• 缺点：
  • 文件描述符数量受限。
  • 每次调用都需要拷贝fd_set，效率低。
  • 需要遍历所有文件描述符，性能随文件描述符数量增加而下降。

常用API：

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

FD_ZERO(fd_set *set);          // 清空文件描述符集合
FD_SET(int fd, fd_set *set);   // 将文件描述符添加到集合
FD_CLR(int fd, fd_set *set);   // 从集合中移除文件描述符
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 检查文件描述符是否在集合中

/*
使用步骤：
1、定义并初始化 fd_set 集合。
2、使用 FD_SET 将需要监视的文件描述符添加到集合。
3、调用 select 等待文件描述符就绪。
4、使用 FD_ISSET 检查哪些文件描述符就绪。
*/

poll

poll是对`select的改进，使用pollfd结构体管理文件描述符

• 特点：

  • 使用pollfd结构体管理文件描述符，没有数量上的限制，但是收到系统资源的限制。
  • 每次调用仍然需要将pollfd数组从用户空间拷贝到内核空间。
  • 每次调用都需要遍历所有文件描述符，时间复杂度为O(n)。

• 优点：

  • 支持的文件描述符数量没有硬性限制。
  • 相比于select更加灵活。

• 缺点：

  • 每次调用都需要拷贝pollfd，效率低。
  • 需要遍历所有文件描述符，性能随文件描述符数量增加而下降。

常用API：

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

struct pollfd {
    int fd;         // 文件描述符
    short events;   // 监视的事件（如 POLLIN、POLLOUT）
    short revents;  // 实际发生的事件
};

/*
使用步骤：
1、定义 pollfd 数组，设置需要监视的文件描述符和事件。
2、调用 poll 等待文件描述符就绪。
3、检查 pollfd 中的 revents 字段，判断哪些文件描述符就绪。
*/

epoll

epoll是Linux特有的高校I/O多路复用机制，解决了select和poll的性能问题。

• 特点：

  • 使用红黑树和双链表管理文件描述符，支持高校的事件注册和通知。
  • 支持边沿（ET）触发和水平（LT）触发模式。
  • 每次调用不需要拷贝所有文件描述符，只需要返回就绪的事件。
  • 时间复杂度为O(1)，性能不受文件描述符数量影响。

• 优点：

  • 高效处理大量文件描述符，适合高并发场景。
  • 事件驱动，只返回就绪的事件，无需便利所有的文件描述符。
  • 支持边沿触发模式，减少事件通知次数。
• 缺点：
  • 仅支持Linux系统，无法跨平台。

常用API：

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int epoll_create(int size); // 创建 epoll 实例 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // 管理文件描述符 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); // 等待事件

struct epoll_event {    
    uint32_t events; // 事件类型（如 EPOLLIN、EPOLLOUT）    
    epoll_data_t data; // 用户数据 
};

/*
使用步骤：
1. 调用 epoll_create 创建 epoll 实例。
2. 使用 epoll_ctl 添加、修改或删除需要监视的文件描述符。
3. 调用 epoll_wait 等待文件描述符就绪。
4. 处理就绪的事件。
*/

事件通知模式/触发机制（LT，ET）

水平触发（Level-Triggerred）和边沿触发（Eage_Triggerred）是I/O多路复用机制中的两种时间通知模式，他们决定了何时通知应用程序文件描述符的状态变化。

水平触发（LT）

默认的事件通知模式，当文件描述符处于就绪状态时，会持续通知应用程序。

当被监控的Socket上有可读事件发生时，服务器端不断地从epoll_wait中苏醒，直到内核缓冲区被read函数读完才结束，没必要一次执行尽可能多的读写操作。

• 特点：

  • 只要文件描述符处于就绪状态（例如可读或可写），就会重复通知应用程序。
  • 应用程序可以在一次通知后不完全处理所有数据，下次调用时仍会收到通知。
  • 适用于对事件处理逻辑要求不高的场景。

边沿触发（ET）

高效的事件通知模式，只有当文件描述符的状态发生变化时（例如从不可读变为可读），才会通知应用程序。

当被监控的Socket上有可读事件发生时，服务器端只会从epoll_wait中苏醒一次，因此程序需要保证一次将内核缓冲区的数据读取完，因此需要循环的从文件描述符中读取数据，如果文件描述符是阻塞的，没有数据可读写时，进程会阻塞在读写函数那里，因此，边沿触发模式一般搭配非阻塞I/O使用，程序会一直执行I/O操作。

• 特点：

  • 只有当文件描述符的状态发生变化时（例如从不可读变为可读），才会通知应用程序。
  • 应用程序需要一次性处理完所有数据，否则可能会丢失后续事件。
  • 适用于高性能场景，但需要更复杂的逻辑。

LT和ET对比

三者对比