select、poll、epoll 的区别与对比

select，poll，epoll 都是 IO 多路复用的机制。I/O 多路复用就是通过一种机制，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，因为它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。关于这三种 IO 多路复用的用法，之前的《select/poll/epoll(上)》写得很清楚，并用服务器回射 echo 程序进行了测试，感兴趣的可以先去看看。

今天对这三种 IO 多路复用进行对比，参考网上和书上面的资料，整理如下：

1、select 实现

select 的调用过程如下所示：

1. 使用 copy_from_user 从用户空间拷贝 fd_set 到内核空间
2. 注册回调函数 __pollwait
3. 遍历所有 fd，调用其对应的 poll 方法（对于 socket，这个 poll 方法是 sock_poll，sock_poll 根据情况会调用到 tcp_poll、udp_poll 或者 datagram_poll）
4. 以 tcp_poll 为例，其核心实现会通过 sock_poll_wait 调用上面注册的回调函数 __pollwait
5. __pollwait 的主要工作就是把 current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于 tcp_poll 来说，其等待队列是 sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时 current 便被唤醒了
6. poll 方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的 mask 掩码，根据这个 mask 掩码给 fd_set 赋值
7. 如果遍历完所有的 fd，还没有返回一个可读写的 mask 掩码，则会调用 schedule_timeout 使调用 select 的进程（也就是 current）进入睡眠。当设备驱动自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout 指定），还是没人唤醒，则调用 select 的进程会重新被唤醒获得 CPU，进而重新遍历 fd，判断有没有就绪的 fd
8. 把 fd_set 从内核空间拷贝到用户空间

总结，select 的几大缺点：

1. 每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大
2. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大
3. select 支持的文件描述符数量太小了，默认是 1024

2、poll 实现

poll 的实现和 select 非常相似，只是描述 fd 集合的方式不同，poll 使用 pollfd 结构而不是 select 的 fd_set 结构，其他的都差不多。

关于 select 和 poll 的实现分析，可以参考《select 源码简析》。

3、epoll

epoll 既然是对 select 和 poll 的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那 epoll 都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下 epoll 和 select 和 poll 的调用接口上的不同：select 和 poll 都只提供了一个函数——select 或者 poll 函数；而 epoll 提供了三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。epoll_create 是创建一个 epoll 句柄；epoll_ctl 是注册要监听的事件类型；epoll_wait 则是等待事件的产生。

对于第一个缺点，epoll 的解决方案在 epoll_ctl 函数中。每次注册新的事件到 epoll 句柄中时（在 epoll_ctl 中指定 EPOLL_CTL_ADD），会把该 fd 拷贝进内核，而不是在 epoll_wait 的时候重复拷贝。epoll 保证了每个 fd 在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点，epoll 的解决方案不像 select 或 poll 一样每次都把 current 轮流加入 fd 对应的设备等待队列中，而只在 epoll_ctl 时把 current 挂一遍（这一遍必不可少）并为每个 fd 指定一个回调函数。当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的 fd 加入一个就绪链表。epoll_wait 的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的 fd（利用 schedule_timeout() 实现睡一会，判断一会的效果，和 select 实现中的第 7 步是类似的）。

对于第三个缺点，epoll 没有这个限制，它所支持的 FD 上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于 2048。举个例子，在 1GB 内存的机器上大约是 10 万左右，具体数目可以执行下面的命令察看，一般来说这个数目和系统内存关系很大：

cat /proc/sys/fs/file-max

总结：

1. select，poll 实现需要自己不断轮询所有 fd 集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而 epoll 其实也需要调用 epoll_wait 不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪 fd 放入就绪链表中，并唤醒在 epoll_wait 中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是 select 和 poll 在“醒着”的时候要遍历整个 fd 集合，而 epoll 在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的 CPU 时间。这就是回调机制带来的性能提升。
2. select，poll 每次调用都要把 fd 集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把 current 往设备等待队列中挂一次，而 epoll 只要一次拷贝，而且把 current 往等待队列上挂也只挂一次（在 epoll_wait 的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个 epoll 内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

本文内容参考自网上和书上的相关资料，感谢原作者。