IO多路复用与epoll机制浅析

epoll是Linux中用于IO多路复用的机制，在nginx和redis等软件中都有应用，redis的性能好的原因之一也就是使用了epoll进行IO多路复用，同时epoll也是各大公司面试的热点问题。

IO多路复用

IO多路复用是一种同步IO模型，使得一个线程就可以对多个文件描述符进行监听。当有文件描述符准备就绪时，函数就会返回，从而通知应用进行相应的处理；当没有描述符就绪时，函数就会阻塞。

IO多路复用对于网络应用来说是非常重要的，在没有IO多路复用时，应用一般通过同步阻塞（每个socket连接建立一个新线程，这将十分耗费系统性能）或者同步非阻塞（对所有socket进行反复遍历，当没有就绪描述符时就会做无用功）来实现，而这些方法的性能都不太好。

在Linux中，IO多路复用主要有三种方法select、poll和epoll。

`select`

int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select是通过传递文件描述符数组fd_set*来实现的。当没有描述符准备就绪时，函数就会阻塞；当有一个或多个文件描述符准备就绪时就会返回，之后通过遍历数组找到准备就绪的描述符进行处理。select函数一般在所有操作系统中都会实现，因此具有良好的可移植性。

fd_set的大小是固定的，在Linux中一般为1024，本质是一个bitmap，通过FD_SET将描述符加入fd_set，通过对所有文件描述符依次调用FD_ISSET来判断是否准备就绪。

因此，select就有着以下的缺点：

select的文件描述符最大只能支持1024个
select需要通过遍历来判断是否准备就绪，因此时间复杂度为O(n)
当监听文件描述符数量增加时，性能会明显下降
select内核态中通过轮询来判断文件描述符是否就绪
select每次调用都需要将fd_set从用户地址空间拷贝到内核地址空间中，函数返回时又要拷贝回来

`poll`

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
struct pollfd {
    int fd;               // 文件描述符
    short events;         // 等待的事件
    short revents;        // 发生的事件
};

poll对select的主要改进就是没有了描述符数组的大小限制，没有最大连接数的限制。但是poll仍然需要进行遍历才能知道哪些文件描述符准备就绪，因此，select的缺点poll也有。

`epoll`

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);

epoll使用了三个系统调用来实现，epoll_create创建一个句柄，epoll_ctl向句柄中添加、删除或修改文件描述符，epoll_wait对句柄进行监听，当有文件描述符准备就绪后，就会通过events参数返回。返回的参数中仅包含准备就绪的文件描述符，也就是说不再需要通过遍历来进行判断。epoll通过回调机制来快速将文件描述符加入就绪链表，避免轮询；同时epoll内部使用红黑树来保存所有监听的文件描述符。

epoll有着以下的优点：

没有最大文件描述符数量限制
使用mmap，避免了每次wait都要将数组进行拷贝
直接返回就绪的文件描述符，避免了遍历，时间复杂度为O(k)，k为就绪文件描述符
使用回调机制，当文件描述符就绪时会触发回调函数，将描述符加入到就绪链表，避免轮询
监听的文件描述符数量对性能影响不大

但是epoll也不是一定比select和poll好，当就绪的文件描述符很多时，即O(k)中的k接近n时，两者性能就比较接近了；当文件描述符数量较少时，两者性能也差不多；epoll的回调函数注册也会带来一定的性能开销。

触发方式

epoll有两种触发方式，水平触发（LT, level-triggered）和边缘触发（ET, edge-triggered）。通过一个例子来理解两种方式：

当描述符a中到达2kb数据，调用epoll_wait会返回a，之后从描述符中读取1kb数据，此时该描述符中仍有1kb数据，仍为就绪状态；第二次调用epoll_wait时，如果是LT，那么返回的描述符中仍包含a，如果为ET，那么就不包含a。

即ET只会在状态发生改变时触发，只返回一次，类似于上升沿触发；而LT只要处于就绪状态就会一直返回，类似于电平触发。

理论上ET的性能会比LT要好，但是ET要保证每次都要把数据全部处理完成，而LT使用起来就更加方便，不易出现bug。在实际当中两种的性能区别可以忽略，redis使用的就是LT方式。