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搜狗面试题:IO多路复用之select、poll、epoll的区别
Tags : select,poll,epoll,IO多路复用,面试题发表时间: 2021-08-03 18:38:19
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比如: 转自:Su的技术博客  原文地址:

 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。

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01

select


1  int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 2                     fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);3 4  // fd_set 结构体简化为:5  typedef struct{6  long int fds_bits[32];7  }fd_set;

select 函数监视的文件描述符分3类,分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞,直到有描述符就绪(有数据 可读、可写、或者有except),或者超时(timeout指定等待时间,如果立即返回设为null即可),函数返回。当select函数返回后,可以通过遍历fdset,来找到就绪的描述符。


select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理

缺点:

1、 单个进程可监视的fd数量被限制,即能监听端口的大小有限。

     一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低:

     当套接字比较多的时候,每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数,当他们活跃时,自动完成相关操作,那就避免了轮询,这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构,每次调用select时把fd集合从用户态拷贝到内核态,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大


02

poll


1  int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);23  struct pollfd {4      int fd; /* file descriptor */5      short events; /* requested events to watch */ // 请求监视的事件6      short revents; /* returned events witnessed */ // 返回发生的事件7  };
和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历
它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的。
缺点:

1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。                   

2、poll还有一个特点是“水平触发”,如果报告了fd后,没有被处理,那么下次poll时会再次报告该fd。


LT模式level trigger。当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,

应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时,会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式:edge trigger。当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,

应用程序必须立即处理该事件。如果不处理,下次调用epoll_wait时,不会再次响应应用程序并通知此事件。


03

epoll


1  int epoll_create(int size);2  int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);3  int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_create:创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。参数size并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数,只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。

epoll_ctl:对指定描述符fd执行op操作。

-epfd:是epoll_create()的返回值。

-op操作:对应宏:添加EPOLL_CTL_ADD,删除EPOLL_CTL_DEL,修改EPOLL_CTL_MOD,对应添加、删除和修改对fd的监听事件。

- fd:是需要监听的fd(文件描述符)。

- epoll_event:是告诉内核需要监听什么事件(读、写事件等)。

epoll_wait:等待epfd上的io事件,最多返回maxevents个事件。

-events:用来从内核得到事件的集合,

-maxevents:告之内核这个events有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size,

-timeout:是超时时间。


epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式,LT是默认的模式,ET是“高速”模式。LT模式下,只要这个fd还有数据可读,每次epoll_wait都会返回它的事件,提醒用户程序去操作,而在ET(边缘触发)模式中,它只会提示一次,直到下次再有数据流入之前都不会再提示了,无论fd中是否还有数据可读。所以在ET模式下,read一个fd的时候一定要把它的buffer读光,也就是说一直读到read的返回值小于请求值,或者遇到EAGAIN错误。还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知。


epoll为什么要有EPOLLET触发模式?


如果采用EPOLLLT模式的话,系统中一旦有大量你不需要读写的就绪文件描述符,它们每次调用epoll_wait都会返回,这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率.。而采用EPOLLET这种边沿触发模式的话,当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时,epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小),那么下次调用epoll_wait()时,它不会通知你,也就是它只会通知你一次,直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你!!!这种模式比水平触发效率高,系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符。

epoll优点

1、没有最大并发连接的限制,能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口);

2、效率提升,不是轮询的方式,不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数;

      即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3、 内存拷贝,利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即epoll使用mmap减少复制开销。



04

区别



0、底层数据结构
select:数组,poll:链表,epoll:红黑树。

1、支持一个进程所能打开的最大连接数
select 单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是32*32,同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。
poll本质上和select没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的。
epoll 虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接。

2、FD剧增后带来的IO效率问题
select/poll 因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。
epoll 因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的,只有活跃的socket才会主动调用callback,所以在活跃socket较少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。

3、消息传递方式
select/poll 内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作。
epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。

select、poll与epoll之间的区别总结图:

历史背景

1)select出现是1984年在BSD里面实现的。

2)14年之后也就是1997年才实现了poll,其实拖那么久也不是效率问题, 而是那个时代的硬件实在太弱,一台服务器处理1千多个链接简直就是神一样的存在了,select很长段时间已经满足需求 。

3)2002, 大神 Davide Libenzi 实现了epoll。


参考资料:

https://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html

https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html

https://www.cnblogs.com/dhcn/p/12731883.html



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