I/O Multiplexing

I/O多路复用：同时监视多个I/O流（如Socket）的状态并处理可读、可写和异常事件。它允许在单个线程中同时处理多个I/O操作

select

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

nfds:要监听的文件描述符总数；
fd_set：要监听的文件描述符集合；分为：readfds、writefds和exceptfds：指可读、可写、异常等事件对应的文件描述符集合通过这三个参数传入应用程序感兴趣的fd；返回时，内核修改对应的就绪文件描述符来告知应用程序，哪些fd就绪了；
timeout：函数超时时间，当设置为-1，则为非阻塞，立即返回；

poll

int poll(struct pollfd*fds, nfds_t nfds, int timeout)

nfds：要监听的文件描述符总数；
fds：一个结构体，指定应用程序要监听的文件描述符；包括可读、可写、异常等与select类似；
timeout：函数超时时间，当设置为-1，则为非阻塞，立即返回；

epoll

epoll函数为Linux特有的IO复用函数 epoll接口的核心是在内核创建一个epoll数据结构：一个包含两个列表的容器；能够处理的最大请求，取决与系统可打开的文件描述符个数；：

cat /proc/sys/fs/file-max

1. epoll_create

创建epoll实例(eventpoll对象)，返回一个文件描述符指向创建的epoll实例（一个包含两个列表的socket容器）

实例：

兴趣列表(红黑树)：带有事件的socket集合；当执行epoll_ctl()时，将对应的socket加入到兴趣列表；
- 兴趣列表是一个红黑树，可以高效插入、查找、删除的复杂度为O(logN)
就绪列表(双向链表)：事件就绪的socket集合；由内核在socket事件触发就绪时，将其加入到该集合内；

int epoll_create(int size);

size：需要监听的socket数量；
size内核会动态调整，但在调用时，只需要传递大于0的一个数；

此fd用于后续所有对epoll接口的调用，不需要时则删除此fd，内核则会销毁epoll实例，释放所有关联的资源；

2. epoll_ctl

操作已经创建完成的epoll实例中的节点：

添加：添加Socket到红黑树中；
修改：遍历红黑树，找到Socket，修改监听事件；
删除：遍历红黑树，找到socket删除；

当socket触发的事件是关注的事件，则由内核将fd添加到就绪队列；

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epfd：指向epoll实例的fd，由create创建；
op：需要对fd执行的动作：
- EPOLL_CTL_ADD：将此fd添加进红黑树，并绑定event；
- EPOLL_CTL_MOD：将event绑定到fd上；
- EPOLL_CTL_DEL：注销、删除fd，此时event参数被忽略，可以为null；
fd：需要执行以上动作的文件描述符（红黑树中的一颗节点）
epoll_event：想要关联到fd上的事件；是一个位掩码，可以绑定多个事件：
EPOLLIN | EPOLLOUT
- EPOLLIN：对fd绑定读事件，可以执行read()系统调用；
- EPOLLOUT：对fd绑写读事件，可以执行write()系统调用；

3. epoll_wait

等待事件就绪，可以是阻塞的，也可以立即返回；将就绪队列的触发的事件拷贝到用户空间；

拿到就绪事件，遍历，执行就绪事件中的回调函数，即可对socket上绑定的事件进行处理(读、写、连接、断开连接事件等)；

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epfd：监听等待的epoll实例；
events：是一个epoll_event空列表，有就绪fd时，内核会将对应就绪的事件，放入数组中，返回后，用户线程进行处理；只包含就绪事件，效率高；
maxevents：大于等于events的大小；(因为create的size不限制大小，这里max也无意义了)
timeout：超时时间；
- timeout=-1，永久阻塞，直到有时间返回；
- timeout=0，非阻塞，立即返回，无论有无就绪IO；
- timeout>0，阻塞指定时间后返回；

水平触发LT、边沿触发ET

数字电路中由电平、边沿触发

电平触发（水平触发）：当处于高电平时，则保持触发，处理完成降为低电平；
边沿触发：只有从低电平到高电平变化的瞬间，才会输出，输出完成，不会再次输出；

epoll中则是：

水平触发：数据未处理，则下次调用wait，仍然可以返回未处理的数据；容错高
边沿触发：只会返回一次，无论是否处理；效率高

epoll实现

// 创建epoll
int epfd = epoll_create(1000);
// 添加事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &listen_event);
// 循环监听
while(1){
    int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1);
    for(i=0; i<active_cnt; i++){
        if (event[i].data.fd & EPOLLIN){
            // read
        ) else if (event[i].data.fd & EPOLLOUT) {
            // write
        }
    }
}

对比select/poll/epoll

select

监听的socket fd数量受限；默认1024；
fd_set集合有三个：可读、可写、异常集合，需要不断在用户和内核间复制；随着socket数量增加，效率下降；
select每次返回全量fd_set，需要用户再遍历，找到就绪的fd，进行处理，O(n)复杂度；
处理完需要重置fd事件，重新设置需要监听的事件，才能再次select调用；
仅工作在水平触发LT模式；未处理的事件，下次依然返回；

poll

监听的socket fd数量不受限；取决与系统可打开的文件描述符个数：
cat /proc/sys/fs/file-max
fd_set集合只有一个，仍需要不断在用户和内核间复制；随着socket数量增加，效率下降；
poll每次返回全量fd_set，需要用户再遍历，找到就绪的fd，进行处理，O(n)复杂度；
仅工作在水平触发LT模式；未处理的事件，下次依然返回；

epoll

监听的socket fd数量不受限；取决与系统可打开的文件描述符个数：
cat /proc/sys/fs/file-max
不使用fd_set，而是直接在内核创建epoll红黑树实例，只有事件epoll_wait返回时，将就绪fd从内核复制到用户空间，每次仅复制一次；
epoll只关注就绪事件，处理的时间复杂度为O(1)
可选边沿触发ET，更高效；

IO模型：IO多路复用

I/O Multiplexing

select

poll

epoll

1. epoll_create

2. epoll_ctl

3. epoll_wait

水平触发LT、边沿触发ET

epoll实现

对比select/poll/epoll

select

poll

epoll