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IO 多路复用：select、poll、epoll

news 2025/8/2 16:35:53

前提

我们创建若干 socketfd，绑定并监听，现在我们拥有若干 socketfd
对于 IO 事件，有如下2种触发方式：

水平触发（在目标状态下持续触发）
边缘触发（首次切换变化到目标状态时触发1次）

select

用法

流程

对每个 socketfd 进行 accept() 得到 fd，保存到 fd 数组中，记录最大 fd 序号 max_fd。
循环
- 设置监听的 fd_set 集合（bitmap）
- 将 fd_set 传入 select() 函数，并限制监听 fd 范围（0-max_fd）
- - 内核态会拷贝一份 fd_set，并进行监听，发生事件时，覆盖用户态的 fd_set
- - select 会阻塞当前进程，直到返回（发生事件或超时）
- 等待select() 返回
- - 内核置为 fd_set
- 遍历 fd，检测 fd_set 中是否置位，并进行处理

函数说明

// fd_set 全部置零
int FD_ZERO(fd_set *fdset);// 清零某一位
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);// 置1某一位
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);// 判断是否置1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, struct timeval *timeout)
// 参数：       最大fd   监听读事件的fd集合 监听写事件的fd集合   监听异常的fd集合        超时时间    
// 超时时间：NULL-无限等待， 0-立刻返回，n-等待时间。等待可以被中断信号打断
// select 返回准备好的 fd 数量，超时返回0，出错返回-1（等待时被信号打断也会返回-1）

缺点

fd 上限：最大监听 1024 个 fd
- 可调整但是受限于操作系统默认编译的值
重新赋值：传入的 fd_set 会被内核修改，每次需要重新赋值
拷贝开销：fd_set 用户态拷贝到内核态，有开销
遍历 fd：select 返回后，需要遍历所有 fd 来判断真正可用的 fd

poll

用法

流程

对每个 socketfd 进行 accept() 得到 fd，为每个 fd 创建 pollfd 结构体，存入数组
循环
- 将 pollfd[] 数组传入 poll() 函数
- - 从用户态拷贝到内核态
- - poll() 阻塞当前进程，直到返回（发生事件或超时）
- 等待 poll() 返回
- - 内核置位 revents
- 遍历 fd，检测可用的 fd（清零 revents），并进行处理

函数说明

int poll ( struct pollfd * fds, unsigned int nfds, int timeout);
// 参数           poll 数组            数组长度        超时时间struct pollfd {int fd;short events; // 监听的事件（事件掩码）short revents; // 实际发生的事件，只关注 events 设置的事件
}
// POLLIN 　　　　　有数据可读
// POLLRDNORM 　　　有普通数据可读
// POLLRDBAND　　　 有优先数据可读
// POLLPRI　　　　　 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// POLLER　　  指定的 fd 发生错误
// POLLHUP　　 指定的 fd 挂起事件
// POLLNVAL　　指定的 fd 非法

poll 对比 select

没有 fd 上限
pollfd 可重用

缺点

拷贝开销：pollfds[] 用户态拷贝到内核态，有开销
遍历fd：poll() 返回后，需要遍历所有 fd 来判断真正可用的 fd

epoll

用法

流程

epoll_create()创建 epoll 对象（eventpoll），得到描述符（epfd）
对每个 socketfd 进行 accept() 得到 fd，将 fd 保存到 epoll_event 中
epoll_ctl()添加 epoll_event 到 epoll 对象中
循环
- epoll_wait() 阻塞并等待事件发生
- - 实际调用 epoll_ctl 拷贝一次，后续复用，不需要每次都拷贝
- 等待 epoll_wait() 返回可用的 fd
- 遍历可用的 fd，并进行处理

函数说明

// 创建一个 epoll 对象，返回该对象的描述符
// 注意要使用 close 关闭该描述符
int epoll_create(int size);// 操作控制 epoll 对象
// 主要涉及 epoll 红黑树上节点的一些操作，比如添加节点，删除节点，修改节点事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// op：EPOLL_CTL_ADD，EPOLL_CTL_DEL，EPOLL_CTL_MOD// 阻塞一段时间并等待事件发生，返回事件集合
// 也就是获取内核的事件通知。即遍历双向链表，把双向链表里的节点数据拷贝出来，拷贝完毕后就从双向链表移除
int epoll_wait(int epid, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
// epid：epoll_create 返回的 epoll 对象描述符
// events：存放就绪的事件集合，这个是传出参数
// maxevents：代表可以存放的事件个数，也就是 events 数组的大小
// timeout：阻塞等待的时间长短，以毫秒为单位，如果传入 -1 代表阻塞等待typedef union epoll_data
{void        *ptr;int          fd;uint32_t     u32;uint64_t     u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event
{uint32_t     events;      // Epoll 事件epoll_data_t data;        // 用户数据
};
// EPOLLIN:	    监听 fd 的读事件。举例：如果客户端发送消息过来，代表服务器收到了可读事件
// EPOLLOUT:	  监听 fd 的写事件。如果 fd 对应的发数据内核缓冲区不为满，只要监听了写事件，就会触发可写事件
// EPOLLRDHUP:	监听套接字关闭或半关闭事件，Linux 内核 2.6.17 后可用
// EPOLLPRI:	  监听紧急数据可读事件