IO 多路复用

IO 多路复用就通过一种机制,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。select,poll,epoll 都是 IO 多路复用的机制。值得一提的是,epoll 仅对于 Pipe 或者 Socket 这样的读写阻塞型 IO 起作用,正常的文件描述符则是会立刻返回文件的内容,因此 epoll 等函数对普通的文件读写并无作用。

首先来看下可读事件与可写事件:当如下任一情况发生时,会产生套接字的可读事件:

  • 该套接字的接收缓冲区中的数据字节数大于等于套接字接收缓冲区低水位标记的大小;

  • 该套接字的读半部关闭(也就是收到了 FIN),对这样的套接字的读操作将返回 0(也就是返回 EOF);

  • 该套接字是一个监听套接字且已完成的连接数不为 0;

  • 该套接字有错误待处理,对这样的套接字的读操作将返回-1。

当如下任一情况发生时,会产生套接字的可写事件:

  • 该套接字的发送缓冲区中的可用空间字节数大于等于套接字发送缓冲区低水位标记的大小;

  • 该套接字的写半部关闭,继续写会产生 SIGPIPE 信号;

  • 非阻塞模式下,connect 返回之后,该套接字连接成功或失败;

  • 该套接字有错误待处理,对这样的套接字的写操作将返回-1。

select,poll,epoll 本质上都是同步 IO,因为他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 IO 则无需自己负责进行读写,异步 IO 的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。select 本身是轮询式、无状态的,每次调用都需要把 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。epoll 则是触发式处理连接,维护的描述符数目不受到限制,而且性能不会随着描述符数目的增加而下降。

方法

数量限制

连接处理

内存操作

select

描述符个数由内核中的 FD_SETSIZE 限制,仅为 1024;重新编译内核改变 FD_SETSIZE 的值,但是无法优化性能

每次调用 select 都会线性扫描所有描述符的状态,在 select 结束后,用户也要线性扫描 fd_set 数组才知道哪些描述符准备就绪(O(n))

每次调用 select 都要在用户空间和内核空间里进行内存复制 fd 描述符等信息

poll

使用 pollfd 结构来存储 fd,突破了 select 中描述符数目的限制

类似于 select 扫描方式

需要将 pollfd 数组拷贝到内核空间,之后依次扫描 fd 的状态,整体复杂度依然是 O(n)的,在并发量大的情况下服务器性能会快速下降

epoll

该模式下的 Socket 对应的 fd 列表由一个数组来保存,大小不限制(默认 4k)

基于内核提供的反射模式,有活跃 Socket 时,内核访问该 Socket 的 callback,不需要遍历轮询

epoll 在传递内核与用户空间的消息时使用了内存共享,而不是内存拷贝,这也使得 epoll 的效率比 poll 和 select 更高