Linux下I/O多路复用系统调用(select, poll, epoll)介绍

1 概念引入

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。

Linux中基于socket的通信本质也是一种I/O,使用socket()函数创建的套接字默认都是阻塞的,这意味着当sockets API的调用不能立即完成时,线程一直处于等待状态,直到操作完成获得结果或者超时出错。会引起阻塞的socket API分为以下四种:

  • 输入操作: recv()、recvfrom()。以阻塞套接字为参数调用该函数接收数据时,如果套接字缓冲区内没有数据可读,则调用线程在数据到来前一直睡眠。
  • 输出操作: send()、sendto()。以阻塞套接字为参数调用该函数发送数据时,如果套接字缓冲区没有可用空间,线程会一直睡眠,直到有空间。
  • 接受连接:accept()。以阻塞套接字为参数调用该函数,等待接受对方的连接请求。如果此时没有连接请求,线程就会进入睡眠状态。
  • 外出连接:connect()。对于TCP连接,客户端以阻塞套接字为参数,调用该函数向服务器发起连接。该函数在收到服务器的应答前,不会返回。这意味着TCP连接总会等待至少服务器的一次往返时间。

使用阻塞模式的套接字编写网络程序比较简单,容易实现。但是在服务器端,通常要处理大量的套接字通信请求,如果线程阻塞于上述的某一个输入或输出调用时,将无法处理其他任何运算或响应其他网络请求,这么做无疑是十分低效的,当然可以采用多线程,但大量的线程占用很大的内存空间,并且线程切换会带来很大的开销。而I/O多路复用模型能处理多个connection的优点就使其能支持更多的并发连接请求

Linux支持I/O多路复用的系统调用有select、poll、epoll,这些调用都是内核级别的。但select、poll、epoll本质上都是同步I/O,先是block住等待就绪的socket,再block住将数据从内核拷贝到用户内存空间。基于select调用的I/O复用模型如下:

2 select, poll, epoll系统调用详解

select,poll,epoll之间的区别如下图:

2.1 select详解

Linux提供的select相关函数接口如下:

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int max_fd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, struct timeval *timeout)
FD_ZERO(int fd, fd_set* fds)   //清空集合
FD_SET(int fd, fd_set* fds)    //将给定的描述符加入集合
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds)  //将给定的描述符从文件中删除  
FD_CLR(int fd, fd_set* fds)    //判断指定描述符是否在集合中
  1. select函数的返回值就绪描述符的数目,超时时返回0,出错返回-1。
  2. 第一个参数max_fd指待测试的fd个数,它的值是待测试的最大文件描述符加1,文件描述符从0开始到max_fd-1都将被测试。
  3. 中间三个参数readset、writeset和exceptset指定要让内核测试读、写异常条件的fd集合,如果不需要测试的可以设置为NULL。

整体的使用流程如下图:

基于select的I/O复用模型的是单进程执行,占用资源少,可以为多个客户端服务。但是select需要轮询每一个描述符,在高并发时仍然会存在效率问题,同时select能支持的最大连接数通常受限。

2.2 poll详解

poll的机制与select类似,与select在本质上没有多大差别,管理多个描述符也是进行轮询,根据描述符的状态进行处理,但是poll没有最大文件描述符数量的限制。

Linux提供的poll函数接口如下:

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

typedef struct pollfd {
        int fd;                         // 需要被检测或选择的文件描述符
        short events;                   // 对文件描述符fd上感兴趣的事件
        short revents;                  // 文件描述符fd上当前实际发生的事件*/
} pollfd_t;
  1. poll()函数返回fds集合中就绪的读、写,或出错的描述符数量,返回0表示超时,返回-1表示出错;
  2. fds是一个struct pollfd类型的数组,用于存放需要检测其状态的socket描述符,并且调用poll函数之后fds数组不会被清空;
  3. nfds记录数组fds中描述符的总数量;
  4. timeout是调用poll函数阻塞的超时时间,单位毫秒;
  5. 一个pollfd结构体表示一个被监视的文件描述符,通过传递fds[]指示 poll() 监视多个文件描述符。其中,结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码,由用户来设置这个域,结构体的revents域是文件描述符的操作结果事件掩码,内核在调用返回时设置这个域。events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。

合法的事件如下:
POLLIN 有数据可读
POLLRDNORM 有普通数据可读
POLLRDBAND 有优先数据可读
POLLPRI 有紧迫数据可读
POLLOUT 写数据不会导致阻塞
POLLWRNORM 写普通数据不会导致阻塞 POLLWRBAND 写优先数据不会导致阻塞 POLLMSGSIGPOLL 消息可用
当需要监听多个事件时,使用POLLIN | POLLRDNORM设置 events 域;当poll调用之后检测某事件是否发生时,fds[i].revents & POLLIN进行判断。

2.3 epoll详解

epoll在Linux2.6内核正式提出,是基于事件驱动的I/O方式,相对于select和poll来说,epoll没有描述符个数限制,使用一个文件描述符管理多个描述符,将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中,这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。优点如下:

  1. 没有最大并发连接的限制,能打开的fd上限远大于1024(1G的内存能监听约10万个端口)
  2. 采用回调的方式,效率提升。只有活跃可用的fd才会调用callback函数,也就是说 epoll 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。使用mmap()文件映射内存来加速与内核空间的消息传递,减少复制开销。

epoll对文件描述符的操作有两种模式:LT(level trigger,水平触发)和ET(edge trigger)。

  • 水平触发:默认工作模式,即当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时,应用程序可以不立即处理该事件;下次调用epoll_wait时,会再次通知此事件。

  • 边缘触发:当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时,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,不会再次通知此事件。(直到你做了某些操作导致该描述符变成未就绪状态了,也就是说边缘触发只在状态由未就绪变为就绪时通知一次)。

  • ET模式很大程度上减少了epoll事件的触发次数,因此效率比LT模式下高。

    Linux中提供的epoll相关函数接口如下:

    #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);
    
    1. epoll_create函数创建一个epoll句柄,参数size表明内核要监听的描述符数量。调用成功时返回一个epoll句柄描述符,失败时返回-1。
    2. epoll_ctl函数注册要监听的事件类型。四个参数解释如下:
      \circ epfd表示epoll句柄;
      \circ op表示fd操作类型:EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd中),EPOLL_CTL_MOD(修改已注册的fd的监听事件),EPOLL_CTL_DEL(从epfd中删除一个fd)
      \circ fd是要监听的描述符;
      \circ event表示要监听的事件
      epoll_event结构体定义如下:
      struct epoll_event {
          __uint32_t events;  /* Epoll events */
          epoll_data_t data;  /* User data variable */
      };
      
      typedef union epoll_data {
          void *ptr;
          int fd;
          __uint32_t u32;
          __uint64_t u64;
      } epoll_data_t;
    3. epoll_wait函数等待事件的就绪,成功时返回就绪的事件数目,调用失败时返回 -1,等待超时返回 0。
      \circ epfd是epoll句柄
      \circ events表示从内核得到的就绪事件集合
      \circ maxevents告诉内核events的大小
      \circ timeout表示等待的超时事件

    上述三个系统调用的实际实例可参考IO多路复用:select、poll、epoll示例Linux高性能服务器编程

    3 小结

    epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。目前流行的高性能web服务器Nginx正式依赖于epoll提供的高效网络套接字轮询服务。但是,在并发连接不高的情况下,多线程+阻塞I/O方式可能性能更好。

    编辑于 2016-10-17