深入理解select、poll和epoll及区别

首先io复用的概念是解决可以让一个进程同时为多个客户端端提供服务，目前的常用的IO复用模型有三种：select，poll，epoll。在时间复杂度分析，select时间复杂度O(n)，poll时间复杂度O(n)，epoll时间复杂度O(1)；poll本质上和select没有区别，实现方式是一样的，存储方式和数据结构有区别，下边主要讲解epoll和select的区别。

先明确几个概念：

I/O 同步和异步的区别在于：将数据从内核复制到用户空间时，用户进程是否会阻塞

I/O 阻塞和非阻塞的区别在于：进程发起系统调用后，是会被挂起直到收到数据后在返回、还是立即返回成功或错误

系统为每一个进程维护了一个文件描述符表，表示该进程打开文件的记录表，而文件描述符实际上就是这张表的索引。当进程打开（open）或者新建（create）文件时，内核会在该进程的文件列表中新增一个表项，同时返回一个文件描述符 —— 也就是新增表项的下标

socket 包含地址、类型和通信协议等信息，就是对底层的封装屏蔽底层tcp/udp fd的创建连接过程，返回一个连接或者fd；进程间通信规则的高层抽象，而 fd 提供的是底层的具体实现，socket 通信，实际上就是通过文件描述符 fd 读写文件。这也符合 Unix“一切皆文件”的哲学。

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他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。

select实现如下图，

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

readfds、writefds、errorfds 是三个文件描述符集合。select 会遍历每个集合的前 nfds 个描述符，分别找到可以读取、可以写入、发生错误的描述符，统称为“就绪”的描述符。然后用找到的子集替换参数中的对应集合，返回所有就绪描述符的总数。timeout 参数表示调用 select 时的阻塞时长。fd_set 的二进制每一位来表示一个文件描述符。某一位为 1，表示对应的文件描述符已就绪。比如比如设 fd_set 长度为 1 字节，则一个 fd_set 变量最大可以表示 8 个文件描述符。当 select 返回 fd_set = 00010011 时，表示文件描述符 1、2、5 已经就绪，调用 select 时会陷入内核，这时需要将参数中的 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间，内核需要遍历传递进来的所有 fd_set 的每一位(性能开销大)，不管它们是否就绪，同时能够监听的文件描述符数量太少(32位1024)。受限于 sizeof(fd_set) 的大小，在编译内核时就确定了且无法更改。一般是 1024，不同的操作系统不相同

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点；epoll 实例内部存储：

监听列表：所有要监听的文件描述符，使用红黑树

就绪列表：所有就绪的文件描述符，使用链表

epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现消息传递，epoll_create 会创建一个 epoll 实例，同时返回一个引用该实例的文件描述符，所以epoll也会占用一个fd，所以在使用完 epoll 后，必须调用 close(epfd) 关闭对应的文件描述符。epoll_ctl 绑定fd指向epoll实例，就是要监听的fd和event，将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例的监听列表里，同时为 fd 设置一个回调函数，并监听事件 event。当 fd 上发生相应事件时，会调用回调函数，将 fd 添加到 epoll 实例的就绪队列上。epoll_wait就相当于select，epoll_ctl 中为每个文件描述符指定了回调函数，并在就绪时将其加入到就绪列表，因此 epoll 不需要像 select 那样遍历检测每个文件描述符，只需要判断就绪列表是否为空即可。这样，在没有描述符就绪时，epoll 能更早地让出系统资源