从阻塞 I/O 到 I/O 多路复用

阻塞 I/O，是指进程发起调用后，会被挂起（阻塞），直到收到数据再返回。如果调用一直不返回，进程就会一直被挂起。因此，当使用阻塞 I/O 时，需要使用多线程来处理多个文件描述符。
多线程切换有一定的开销，因此引入非阻塞 I/O。非阻塞 I/O 不会将进程挂起，调用时会立即返回成功或错误，因此可以在一个线程里轮询多个文件描述符是否就绪。
但是非阻塞 I/O 的缺点是：每次发起系统调用，只能检查一个文件描述符是否就绪。当文件描述符很多时，系统调用的成本很高。
因此引入了 I/O 多路复用，可以通过一次系统调用，检查多个文件描述符的状态。这是 I/O 多路复用的主要优点，相比于非阻塞 I/O，在文件描述符较多的场景下，避免了频繁的用户态和内核态的切换，减少了系统调用的开销。

进程可以通过 select、poll、epoll 发起 I/O 多路复用的系统调用，这些系统调用都是同步阻塞的：如果传入的多个文件描述符中，有描述符就绪，则返回就绪的描述符；否则如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞时长超过设置的 timeout 后，再返回。使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。

select 的缺点

  1. 性能开销大
    1. 调用 select 时会陷入内核，这时需要将参数中的 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间
    2. 内核需要遍历传递进来的所有 fd_set 的每一位，不管它们是否就绪
  2. 同时能够监听的文件描述符数量太少。受限于 sizeof(fd_set) 的大小，在编译内核时就确定了且无法更改。一般是 1024，不同的操作系统不相同

poll

poll 和 select 几乎没有区别。poll 采用链表的方式存储文件描述符，没有最大存储数量的限制。
从性能开销上看，poll 和 select 的差别不大。

epoll

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。
简而言之，epoll 有以下几个特点：

  • 使用红黑树存储文件描述符集合
  • 使用队列存储就绪的文件描述符
  • 每个文件描述符只需在添加时传入一次；通过事件更改文件描述符状态

select、poll 模型都只使用一个函数，而 epoll 模型使用三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。

三者对比

  • select：调用开销大（需要复制集合）；集合大小有限制；需要遍历整个集合找到就绪的描述符
  • poll：poll 采用链表的方式存储文件描述符，没有最大存储数量的限制，其他方面和 select 没有区别
  • epoll：调用开销小（不需要复制）；集合大小无限制；采用回调机制，不需要遍历整个集合