詳解IO複用模型select，poll，epoll機制
在Java中，主要有三種IO模型，分別是阻塞IO（BIO）、非阻塞IO（NIO）和 非同步IO（AIO）。
Java中提供的IO有關的API，在檔案處理的時候，其實依賴作業系統層面的IO操作實現的。比如在Linux 2.6以後，Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的，而在Windows上，AIO是通過IOCP來實現的，可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解為是Java語言對作業系統的各種IO模型的封裝。
select，poll，epoll都是IO多路複用的機制。I/O多路複用就通過一種機制，可以監視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程式進行相應的讀寫操作。但select，poll，epoll本質上都是同步I/O，因為他們都需要在讀寫事件就緒後自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的。
1、select實現
select的呼叫過程如下所示：
image.png
- 使用copy_from_user從使用者空間拷貝fd_set到核心空間
- 註冊回撥函式__pollwait
- 遍歷所有fd，呼叫其對應的poll方法（對於socket，這個poll方法是sock_poll，sock_poll根據情況會呼叫到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）
- 以tcp_poll為例，其核心實現就是__pollwait，也就是上面註冊的回撥函式。
- __pollwait的主要工作就是把current（當前程序）掛到裝置的等待佇列中，不同的裝置有不同的等待佇列，對於tcp_poll來說，其等待佇列是sk->sk_sleep（注意把程序掛到等待佇列中並不代表程序已經睡眠了）。在裝置收到一條訊息（網路裝置）或填寫完檔案資料（磁碟裝置）後，會喚醒裝置等待佇列上睡眠的程序，這時current便被喚醒了。
- poll方法返回時會返回一個描述讀寫操作是否就緒的mask掩碼，根據這個mask掩碼給fd_set賦值。
- 如果遍歷完所有的fd，還沒有返回一個可讀寫的mask掩碼，則會呼叫schedule_timeout是呼叫select的程序（也就是current）進入睡眠。當裝置驅動發生自身資源可讀寫後，會喚醒其等待佇列上睡眠的程序。如果超過一定的超時時間（schedule_timeout指定），還是沒人喚醒，則呼叫select的程序會重新被喚醒獲得CPU，進而重新遍歷fd，判斷有沒有就緒的fd。
- 把fd_set從核心空間拷貝到使用者空間。
總結：
select的幾大缺點：
（1）每次呼叫select，都需要把fd集合從使用者態拷貝到核心態，這個開銷在fd很多時會很大
（2）同時每次呼叫select都需要在核心遍歷傳遞進來的所有fd，這個開銷在fd很多時也很大
（3）select支援的檔案描述符數量太小，預設是1024
2、poll實現
poll的實現和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結構而不是select的fd_set結構，其他的都差不多。
3、epoll
epoll既然是對select和poll的改進，就應該能避免上述的三個缺點。
那epoll都是怎麼解決的呢？
在此之前，我們先看一下epoll和select和poll的呼叫介面上的不同，select和poll都只提供了一個函式——select或者poll函式。
而epoll提供了三個函式，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是建立一個epoll控制代碼；epoll_ctl是註冊要監聽的事件型別；epoll_wait則是等待事件的產生。
改進第一個缺點，epoll的解決方案在epoll_ctl函式中。每次註冊新的事件到epoll控制代碼中時（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），會把所有的fd拷貝進核心，而不是在epoll_wait的時候重複拷貝，epoll保證了每個fd在整個過程中只會拷貝一次。
改進第二個缺點，epoll的解決方案不像select或poll一樣每次都把current輪流加入fd對應的裝置等待佇列中，而只在epoll_ctl時把current掛一遍（這一遍必不可少）併為每個fd指定一個回撥函式，當裝置就緒，喚醒等待佇列上的等待者時，就會呼叫這個回撥函式，而這個回撥函式會把就緒的fd加入一個就緒連結串列），epoll_wait的工作實際上就是在這個就緒連結串列中檢視有沒有就緒的fd（利用schedule_timeout()實現睡一會，判斷一會的效果，和select實現中的第7步是類似的）。
改進第三個缺點，epoll沒有這個限制，它所支援的FD上限是最大可以開啟檔案的數目，這個數字一般遠大於2048,舉個例子,在1GB記憶體的機器上大約是10萬左右，具體數目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看,一般來說這個數目和系統記憶體關係很大。
epoll兩種工作方式
ET：Edge Triggered，邊緣觸發。僅當狀態發生變化時才會通知，epoll_wait返回。換句話，就是對於一個事件，只通知一次。且只支援非阻塞的socket。
LT：Level Triggered，電平觸發（預設工作方式）。類似select/poll,只要還有沒有處理的事件就會一直通知，以LT方式呼叫epoll介面的時候，它就相當於一個速度比較快的poll.支援阻塞和不阻塞的socket。
總結：
（1）select，poll實現需要自己不斷輪詢所有fd集合，直到裝置就緒，期間可能要睡眠和喚醒多次交替。而epoll其實也需要呼叫epoll_wait不斷輪詢就緒連結串列，期間也可能多次睡眠和喚醒交替，但是它是裝置就緒時，呼叫回撥函式，把就緒fd放入就緒連結串列中，並喚醒在epoll_wait中進入睡眠的程序。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時候要遍歷整個fd集合，而epoll在“醒著”的時候只要判斷一下就緒連結串列是否為空就行了，
epoll只會對"活躍"的socket進行操作---這是因為在核心實現中epoll是根據每個fd上面的callback函式實現的。只有"活躍"的socket才會主動的去呼叫 callback函式（把這個控制代碼加入佇列），其他idle狀態控制代碼則不會，在這點上，epoll實現了一個"偽"AIO。但是如果絕大部分的I/O都是“活躍的”，每個I/O埠使用率很高的話，epoll效率不一定比select高（可能是要維護佇列複雜），這節省了大量的CPU時間，這就是回撥機制帶來的效能提升。
（2）select，poll每次呼叫都要把fd集合從使用者態往核心態拷貝一次，並且要把current往裝置等待佇列中掛一次，而epoll只要一次拷貝（epoll是通過核心於使用者空間mmap同一塊記憶體實現加速核心與使用者空間的訊息傳遞），而且把current往等待佇列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開始，注意這裡的等待佇列並不是裝置等待佇列，只是一個epoll內部定義的等待佇列），這也能節省不少的開銷。
參考： ofollow,noindex">https://blog.csdn.net/hsy12342611/article/details/51086532
技術討論 & 疑問建議 & 個人部落格
版權宣告: 本部落格所有文章除特別宣告外，均採用 CC BY-NC-SA 3.0 許可協議，轉載請註明出處！