select poll和epoll

select poll epoll都是IO多路复用机制。这里的复用其实可以理解为复用的线程，即一个(或者较少的)线程完成多个IO的读写。这里总结下这三个函数的区别。

1 select

1.1 select原理分析

1 select的函数原型是

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

使用的时候需要将fd_set从用户空间copy到内核空间。select的使用方式类似如下

while true {
select(streams[])
for i in streams[] { //需要遍历所有的fd_set
if i has data // 判断是否有数据
read until unavailable
}
}

2 select的核心是do_select()。do_select首先会注册回调函数__pollwait，__pollwait会在被调用的时候将当前进程添加到设备的等待队列里。

do_select会在一个for循环里调用设备的f_op->poll。而该函数有两个作用，一个是调用poll_wait()函数，一个是检测设备当前状态。而poll_wait会调用回调函数__pollwait，将当前进程加入到设备等待队列里。

设备自己实现了当有读写的时候会唤醒等待队列里的进程。如果当前没有设备可读写，那么do_select()就将当前进程睡眠。设备会在有读写的时候唤醒进程。唤醒后设备必须重新轮询一遍所有的设备，调用poll来检测设备当前的状态以确定哪些可写可读。

int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
{
	struct poll_wqueues table;
	poll_table *wait;
	poll_initwait(&table); // 注册回调函数__pollwait
	wait = &table.pt;
	// …
    for (;;) {
		// …
		for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
			// …
			struct fd f;
			f = fdget(i);
			if (f.file) {
				const struct file_operations *f_op; // 重要
				f_op = f.file->f_op; // 重要
				mask = DEFAULT_POLLMASK;
				if (f_op->poll) {
					wait_key_set(wait, in, out,
						     bit, busy_flag);
					// 对每个fd进行I/O事件检测
					mask = (*f_op->poll)(f.file, wait); // 函数指针，每个设备自定义自己的poll。每个设备拥有一个struct file_operations结构体，这个结构体里定义了各种用于操作设备的函数指针，具体怎么操作是设备自己定义的
				}
				fdput(f);
				// …
			}
		}
		// 退出循环体
		if (retval || timed_out || signal_pending(current))
			break;
		// 没有可读写，让进程进入休眠
		if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE,
				to, slack))
			timed_out = 1;
	}
}

3 file 结构

struct file {
	struct path		f_path;
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;
	// …
} __attribute__((aligned(4)));	/* lest something weird decides that 2 is OK */

4 file_operations结构

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
	ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	// select()轮询设备fd的操作函数， poll调用poll_wait, 而poll_wait会调用回调函数__pollwait, __pollwait将当前进程加到等待队列里
	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	// …
};

5 简单总结来讲，select会遍历fd_set，调用f_op->poll(此poll非select/poll的poll)，如果有可读/写的fd则返回可读/写的fd，如果没有则在每个fd的等待队列中加入当前进程，当前进程进入睡眠。当有fd可读/写的时候会唤醒当前进程，当前进行重新遍历fd_set，返回可读/写的所有fd。

6 从中也可以看出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

poll的实现原理和select类似，只是接口的方式不同。

3 epoll

1 epoll的函数原型是

int epoll_create(int size); // 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件比如epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有缓冲区内有数据时epoll_wait返回epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//缓冲区可写入时epoll_wait返回
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);  // 等待直到注册的事件发生

epoll的使用方式类似如下：

while true {
active_stream[] = epoll_wait(epollfd) // 只返回可读/写的fd,而不是像select一样，返回所有的fd
for i in active_stream[] {
read or write till unavailable
}
}

2 epoll_create。epoll会向内核注册一个文件系统，调用epoll_create时:

1. 就会在这个虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点;
2. 并且在初始化的时候开辟epoll自己的内核cache，用于存储epoll_ctl传来的socket，这些socket以红黑树的方式组织放在cache里，用于支持快速的查找、插入、删除操作
3. 还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件

3 epoll_ctl。 当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到list里了

4 epoll_wait。 epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep

5 可见，

1. select在醒着的时候要遍历整个fd_set，而epoll只需要判断一下list是否为空就可以了，这节约了大量的cpu时间；
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。这也能节省不少的开销

参考

1. http://janfan.cn/chinese/2015/01/05/select-poll-impl-inside-the-kernel.html
2. https://blog.csdn.net/wangfeng2500/article/details/9127421
3. https://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html
4. https://www.zhihu.com/question/20122137