多路转接方案：select poll epoll 介绍和对比-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了多路转接方案：select poll epoll 介绍和对比。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. IO模型

内存和外设的交互叫做IO，网络IO就是将数据在内存和网卡间拷贝。

IO本质就是等待和拷贝，一般等待耗时往往远高于拷贝耗时。所以提高IO效率就是尽可能减少等待时间的比重。

IO模型	简单对比解释
阻塞IO	阻塞等待数据到来
非阻塞IO	轮询等待数据到来
信号驱动	信号递达时再来读取或写入数据
多路转接	让大批线程等待，自身读取数据
异步通信	让其他进程或线程进行等待和读取，自身获取结果

1.1 阻塞IO

执行流在某个文件描述符下读取数据时，执行流一直等待IO条件就绪后读取数据，这就是阻塞IO。

1.2 非阻塞IO

执行流会以循环的方式反复尝试读取数据，如果IO条件未就绪，执行流会直接返回继续其他任务。

非阻塞读取方式

可通过fcntl设置文件的状态。

非阻塞读取时，数据未就绪是以出错的形式返回的，错误码为EAGIN或EWOULDBLOCK，信号导致读取未成功错误码为EINTR。

void set_nonblock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0) {
        perror("fcntl failed");
        return;
    }
    if (fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK) < 0) {
        perror("fcntl failed");
        return;
    }
}

int main() {
    set_nonblock(0);
    char buf[64] = {0};

    while (true) {
        ssize_t n = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (n > 0)
        {
            buf[n - 1] = 0;
            std::cout << buf << std::endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            perror("end of file");
            break;
        }
        else
        {
            if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 非阻塞数据未就绪返回
                continue;
            else if (errno == EINTR) // IO被信号中断返回
                continue;
            else
            {
                perror("read error");
                break;
            }
        }
    }
    return 0;
}

较为鸡肋，一般不用。

1.3 信号驱动

IO事件就绪时，内核通过SIGIO信号通知进程。等待的过程是异步的，但拷贝数据是同步的，所以我们认为信号驱动也是同步IO。

但信号处理是异步的，所以数据提取可能不及时。

1.4 多路转接

内核提供select、poll、epoll等多路转接方案，最高可同时等待几百个文件。拷贝数据的任务仍由进程完成，等待数据的任务交给内核。

1.5 异步通信

只要自身完全没有参与IO等待和拷贝就是异步通信，否则就是同步。

将缓冲区提供给异步接口，接口等待并拷贝将数据至缓冲区，最后通知进程。进程不参与IO可直接处理数据，所以是异步的。

异步IO系统提供有一些对应的系统接口，但大多使用复杂，也不建议使用。异步IO也有更好的替代方案。

IO事件就绪

IO事件就绪可分为读事件就绪和写事件就绪。

一般接收缓冲区设有高水位，高于该水位读事件就绪，发送缓冲区设有低水位，低于该水位写事件就绪。

因为频繁读写内核缓冲区需要状态切换，会附带一系列的处理工作，导致效率下降。

2. 多路转接

Linux下多路转接的方案常见的有三种：select、poll、epoll，select出现是最早的，使用也是最繁琐的。

2.1 select

select的接口

select能够等待多个fd的IO条件是否就绪。

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set* rfds, fd_set* wfds, fd_set* efds, struct timeval* timeout);

struct timeval {
    time_t       tv_sec;   /* seconds */
    suseconds_t  tv_usec;  /* microseconds */
};

参数	解释
`nfds`	fd的总个数，select遍历fdset结构的范围（被等待的fd的最大值+1）
`readfds`	调用时表示需要关注的读事件，返回时表示那些事件已经就绪
`writefds`	调用时表示需要关注的写事件，返回时表示那些事件已经就绪
`exceptfds`	调用时表示需要关注的异常事件，返回时表示那些事件已经就绪。如对端关闭，读写异常等
`timeout`	调用时表示本次调用阻塞等待时间，返回时表示此次返回剩余的等待时间
返回值	大于0表示就绪fd的个数，为0表示本次调用结束，–1表示出错

fd_set的接口

fd_set是文件描述符的位图结构，下标表示文件描述符，比特位内容表示是否需要等待。

// fd_set操作函数
void FD_CLR  (int fd, fd_set *set); // 清除
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 检测
void FD_SET  (int fd, fd_set *set); // 设置
void FD_ZERO (        fd_set *set); // 置零

select的使用

const int GPORT = 8080;
const int GSIZE = 10;
enum event_type {
    read_event   = 0x1 << 1,
    write_event  = 0x1 << 2,
    except_event = 0x1 << 3,
};
struct fd_collection {
    fd_collection() {}
    fd_collection(const fd_collection& fds) {
        _rfds = fds._rfds, _wfds = fds._wfds, _efds = fds._efds, _maxfd = fds._maxfd;
    }
    bool set(int event, int fd) {
        if (_fdarr.size() >= GSIZE) return false;
        if (event & read_event)   _rfds.set(fd);
        if (event & write_event)  _wfds.set(fd);
        if (event & except_event) _wfds.set(fd);
        _fdarr.push_back(fd);
        if (_maxfd < fd) _maxfd = fd;
        return true;
    }
    void clear(int fd) {
        _rfds.clear(fd);
        _wfds.clear(fd);
        _efds.clear(fd);
        for (int i = 0; i < _fdarr.size(); i++)
            if (_fdarr[i] == fd) _fdarr[i] = -1;
    }
    class file_descptrs {
    public:
        file_descptrs() { bzero(); }
        ~file_descptrs() {}
        void set  (int fd) { FD_SET(fd, &_set);          }
        void clear(int fd) { FD_CLR(fd, &_set);          }
        bool isset(int fd) { return FD_ISSET(fd, &_set); }
        void bzero()       { FD_ZERO(&_set);             }
        fd_set* get() { return &_set; }
    private:
        fd_set _set;
    };
    file_descptrs _rfds;
    file_descptrs _wfds;
    file_descptrs _efds;
    std::vector<int> _fdarr;
    int _maxfd = -1;
};

class select_server : public inet::tcp::server {
public:
    select_server(uint16_t port) : server(port), _wouldblock(true)
    {}
    select_server(uint16_t port, int sec, int usec) : server(port), _timeout({sec, usec})
    {}
    void start() {
        _fds.set(read_event, _sock);
        while (true) {
            int n = 0;
            struct timeval timeout = _timeout;
            fd_collection fds_cp(_fds);

if (_wouldblock)
n = select(fds_cp._maxfd+1, fds_cp._rfds.get(), fds_cp._wfds.get(), fds_cp._efds.get(),  nullptr);
else
n = select(fds_cp._maxfd+1, fds_cp._rfds.get(), fds_cp._wfds.get(), fds_cp._efds.get(), &timeout);
            switch (n) {
            case 0: INFO("time out: %.2f", timeout.tv_sec + timeout.tv_usec / 1.0 / 1000);
                break;
            case -1: ERROR("select error, %d %s", errno, strerror(errno));
                break;
            default: handler_event(fds_cp);
                break;
            }
        }
    }
private:
    void handler_event(fd_collection& resfds) {
        for (auto fd : _fds._fdarr) {
            if (fd == -1) continue;
            if (resfds._rfds.isset(fd)) {
                if (fd == _sock)  {
                    acceptor();
                } else {
                    std::string buf;
                    recver(fd, &buf);
                }
            }
            if (resfds._wfds.isset(fd)) {
                std::string msg = "test";
                sender(fd, msg);
            }
            if (resfds._efds.isset(fd)) {
                WARN("excepton event occurred, fd: %d", fd);
            }
        }
    }
    void acceptor() {
        std::string cip;
        uint16_t cport;
        int sock = accept(&cip, &cport);
        INFO("a connect %d has been accepted [%s:%d]", sock, cip.c_str(), cport);
        // if (!_fds.set(read_event | write_event | except_event, sock))
        if (!_fds.set(read_event, sock)) {
            close(sock);
            WARN("connect close, fd array is full");
        }
    }
    void recver(int fd, std::string* buf) {
        ssize_t s = recv(fd, buf, 1024);
        if (s > 0) {
            std::cout << *buf << std::endl;
        }
        else {
            if (s == 0) INFO("client quit");
            else WARN("recv error, %d %s", errno, strerror(errno));
            _fds.clear(fd);
            close(fd);
        }
    }
    void sender(int fd, const std::string& msg) {
        size_t s = send(fd, msg);
        if (s <= 0) {
            if (s == 0) INFO("client quit");
            else WARN("send error, %d %s", errno, strerror(errno));
            _fds.clear(fd);
            close(fd);
        }
    }
private:
    bool _wouldblock;
    struct timeval _timeout;
    fd_collection _fds;
};

select的优缺点

优点
一次等待多个fd，使IO等待时间重叠，一定程度上提高IO效率
缺点
调用前要重新设置fd集，调用后要遍历检测就绪fd，需要额外数组
select能够检测fd的个数上限太小
频繁地将用户数据拷贝到内核中
select内部遍历fd_set结构以检测就绪

2.2 poll

poll相比select在使用和实现上都有进步。不过重点是epoll。

poll的接口

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int    fd;       /* file descriptor */
    short  events;   /* events to look for */
    short  revents;  /* events returned */
};

参数	解释
`timeout`	阻塞等待时间，不过采用整数单位是毫秒。
`struct pollfd*` 和`nfds_t`	pollfd结构体数组以及数据长度
	`struct pollfd.fd`：关注的文件描述符
	`struct pollfd.events`：关注的事件类型
	`struct pollfd.revents`：就绪的事件类型

事件类型	描述
`POLLIN`	数据（包括普通数据和优先数据）可读
`POLLRDNORM`	普通数据可读
`POLLRDBAND`	优先级带数据可读（Linux 不支持）
`POLLPRI`	高优先级数据可读，比如 TCP 带外数据
`POLLOUT`	数据（包括普通数据和优先数据）可写
`POLLWRNORM`	普通数据可写
`POLLWRBAND`	优先级带数据可写
`POLLRDHUP`	TCP 连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作，它由GNU引入
`POLLERR`	错误
`POLLHUP`	挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符将收到 POLLHUP 事件
`POLLNVAL`	文件描述符没有打开

poll的使用

const int   default_port    = 8080;
const int   default_size    = 20;
const int   default_timeout = -1;
const int   default_fd      = -1;
const short default_event   = 0;

class poll_server : public inet::tcp::server {
public:
    poll_server(uint16_t port) : server(port), _fds(new struct pollfd[default_size])
        , _cap(0), _timeout(default_timeout) {
        pollfd_arr_init();
    }
    void pollfd_arr_init() {
        for (int i = 0; i < default_size; i++) pollfd_init(_fds[i]);
    }
    void pollfd_init(struct pollfd& pf) {
        pf.fd = default_fd;
        pf.events = default_event;
        pf.revents = default_event;
    }
    void pollfd_clear(struct pollfd& pf) {
        pf.fd = default_fd;
        pf.events = default_event;
        pf.revents = default_event;
    }
    void start() {
        _fds[0].fd = _sock;
        _fds[0].events = POLLIN;
        ++_cap;
        while (true) {
            int timeout = _timeout;
            switch (poll(_fds.get(), _cap, timeout)) {
            case 0: INFO("time out: %d", timeout); break;
            case -1: ERROR("select error, %d %s", errno, strerror(errno)); break;
            default: event_handler(); break;
            }
        }
    }
private:
    void event_handler() {
        for (int i = 0; i < _cap; i++) {
            auto& fd = _fds[i].fd;
            auto& revents = _fds[i].revents;
            if (revents & POLLIN) {
                if (fd == _sock) {
                    acceptor();
                } else {
                    std::string buf;
                    recver(i, &buf);
                }
            }
            if (revents & POLLOUT) {
                std::string msg = "test";
                sender(i, msg);
            }
            if (revents & POLLERR){
                WARN("excepton event occurred, fd: %d", fd);
            }
        }
    }
    void acceptor() {
        std::string cip;
        uint16_t cport;
        int newfd = accept(&cip, &cport);
        if (_cap >= default_size) {
            close(newfd);
            WARN("connect close, fd array is full");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < default_size; i++) {
            if (_fds[i].fd == default_fd) {
                _fds[i].fd = newfd;
                _fds[i].events = POLLIN | POLLOUT;
                _cap++;
                break;
            }
        }
        INFO("a connect %d has been accepted [%s:%d]", newfd, cip.c_str(), cport);
    }
    void recver(int i, std::string* buf) {
        ssize_t s = recv(_fds[i].fd, buf, 1024);
        if (s > 0) {
            std::cout << *buf << std::endl;
        } else {
            if (s == 0) INFO("client quit");
            else WARN("recv error, %d %s", errno, strerror(errno));
            close(_fds[i].fd);
            pollfd_clear(_fds[i]);
            --_cap;
        }
    }
    void sender(int i, const std::string& msg) {
        size_t s = send(_fds[i].fd, msg);
        if (s <= 0) {
            if (s == 0) INFO("client quit");
            else WARN("send error, %d %s", errno, strerror(errno));
            close(_fds[i].fd);
            pollfd_clear(_fds[i]);
            --_cap;
        }
    }
private:
    std::unique_ptr<struct pollfd[]> _fds;
    int _cap;
    int _timeout;
};

poll的优缺点

优点
监视fd的个数无上限
将事件输入输出分离，避免原始数据被修改
缺点
返回后仍需要遍历数组检测就绪事件
poll内部仍需要内核自己遍历检测就绪事件
每次调用都要将pollfd结构从内核空间拷贝到用户空间

2.3 epoll

epoll的接口

#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);

typedef union epoll_data {
    void*    ptr;
    int      fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
    uint32_t     events;    /* Epoll events */
    epoll_data_t data;      /* User data variable */
};

epoll_create	负责创建epoll模型
`size`	目前size被忽略，为兼容可写128/256
返回值	epoll句柄
epoll_ctl	负责用户告诉内核那些事件需要关注
`epfd`	epoll句柄
`op`	指定相关操作
	`EPOLL_CTL_ADD`：添加事件
	`EPOLL_CTL_MOD`：修改事件
	`EPOLL_CTL_DEL`：删除事件
`fd`	事件关注的文件描述符
`epoll_event`	用来指定fd上关注的事件
epoll_wait	负责内核告诉用户那些事件就绪
`epfd`	epoll句柄
`epoll_event`	输出缓冲区，存放已就绪的事件
`maxevents`	缓冲区的长度
`timeout`	阻塞等待的时间
返回值	就绪事件的个数

events宏常量取值	解释
`EPOLLIN`	表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）
`EPOLLOUT`	表示对应的文件描述符可以写
`EPOLLPRI`	表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（带外数据）
`EPOLLERR`	表示对应的文件描述符发生错误
`EPOLLHUP`	表示对应的文件描述符被挂断
`EPOLLET`	将EPOLL设为边缘触发（Edge Triggered）模式
`EPOLLONESHOT`	只监听一次事件，本次之后自动将该fd删去

epoll的使用

epoll_server 封装最终版

epoll的原理

epoll模型中用红黑树保存注册的fd和事件，用就绪队列保存就绪的fd和事件。
epoll_ctl的本质就是新增修改删除红黑树的节点，并对fd对应的文件中注册回调函数。
如果事件就绪，内核在将硬件数据拷贝至内核缓冲区后，还会自动执行回调将红黑树节点添加到就绪队列中。
epoll_wait负责检查是否有事件就绪，本质就是检测就绪队列为空。

epoll的工作模式

epoll有两种工作方式，分别是水平触发LT和边缘触发ET。

LTET的概念

LT水平触发：只要事件一直就绪，就会一直通知。
ET边缘触发：只有事件就绪或再次就绪时，才会通知一次。

LT水平触发

事件就绪时，可以不立刻处理或只部分处理。

只要事件处于就绪状态，每次调用epoll_wait都会通知该事件就绪，直到处理完毕处于未就绪状态。

ET边缘触发

设置事件为EPOLLET，表示对于该事件使用ET模式。

事件就绪时必须一次性处理清空数据，否则下次是不会通知该事件就绪的，直到该事件再次就绪。

LTET的读写特点

数据剩余ET不会提醒，所以必须一次性读取所有数据，但如果读取时刚好无数据就会被阻塞。所以ET必须采用非阻塞读写。

LT模式事件就绪时读取一定不会被阻塞，因为一定有数据。

LTET的效率对比

一般ET的效率>=LT的效率。原因如下：

一般ET通知次数比LT少，也就是系统调用次数少。
ET会倒逼程序员一次读取全部数据，所以底层TCP会更新出更大的滑动窗口。

LTET的应用场景

ET要求程序必须一次性读取所有数据，再让上层处理，ET重IO效率。
LT可以只交付部分数据，尽快让上层处理，LT重处理效率。

ET高IO，LT高响应。

epoll的优缺点

优点	解释
接口分离解耦	每次调用不需要重新设置事件集，做到输入输出事件分离
使用简单高效	调用后用户不需要遍历，内核提供就绪事件缓冲区
轻量数据拷贝	不需要频繁的进行将数据从内核和用户之间的拷贝
无遍历效率高	底层不需要遍历，利用回调将就绪事件添加到就绪队列中
没有数量限制	文件描述符数目无上限