I/O 多路复用指的是监听多个 fd，并在其中任一 fd 可读写时通知进程进行操作。API 有：

• select() poll()：性能差，可移植性好
• epoll()：Linux 专有 API，性能好
• kqueue()：BSD 专用 API，性能好

这里主要讨论 select() poll() 及 epoll()。

在继续之前，要先讲讲两种不同类型的 readiness notification，分别是水平触发（level-triggered notification）以及边缘触发（edge-triggered notification）。

Level-triggered and edge-triggered

做了个视频讲解：

select 和 poll

这两个函数功能类似，poll() 功能多一些，签名分别是：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,
           struct timeval *timeout);
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);

select() 是把读、写、出错的 fd 分别以 3 个 set 传入；poll() 则是将它们都合并成一个数组，再通过数组元素的属性来区分。

什么情况下 fd 才算是 ready？

仅在可以不 block 地进行 read() / write() 的情况下。对于不同类型的 fd（如文件、FIFO、socket）等，ready 代表的含义也不同。参考 The Linux Programming Interface 一书第 63 章。

epoll

不同于 select 及 poll 需要不停地传入关心的 fd 列表，epoll 将该列表维护在内核中。epoll 的 API 如下：

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *ev);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);

epoll_create() 会返回这个 epoll 的 fd；再通过 epoll_ctl() 将关心的 fd 加入进来：

int epfd;
struct epoll_event ev;
epfd = epoll_create(5);
if (epfd == -1)
    errExit("epoll_create");
ev.data.fd = fd;
ev.events = EPOLLIN;
if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, ev) == -1)
    errExit("epoll_ctl");

之后调用 epoll_wait() 时，系统会把 ready 的 fd 通过参数 evlist 返回。

性能对比

可以看出 select / poll 的 CPU 消耗，基本跟监听的 fd 数量成正比；而 epoll 则不太受数量影响。性能差距非常大。

对于 select / poll，kernel 在判断哪些 fd ready 时，

• 对于 select，kernel 需要扫描 [0, nfds-1] 一共 nfds 个 fd，即使三个 fd_set 中只有一个值为 nfds-1 的 fd
• 对于 poll，kernel 需要扫描 fds 中指定的一共 nfds 个 fd；这些 fd 都是被关心的

这就意味着，对于 select 的场景，假如 fd_set 中的 fd 非常稀疏，比如 [1, 3, 5, 10000]，kernel 仍然需要扫描 10001 个 fd；这是非常低效的。poll 则没有此问题。

当监听的 fd 非常多时：

• 每次调用 select / poll 时，kernel 都必须 check 每个 fd 的 ready 情况，非常耗 CPU
• 对于 select，因为参数中的 fd_set 是 value-result，即调用结果也通过修改这些参数来返回，所以每次调用完都需要重新初始化 fd_set，这带来 CPU 消耗；对于 poll，在 user space 和 kernel 间传递 fds 数组的消耗也巨大
• 调用返回时，用户程序 需要检查每个 fd 来判断是否 ready

对于 epoll，下面的原因使得它性能高：

• 由于监听的 fd 放在 kernel 中维护，少了传递参数和遍历的消耗
• 由于 kernel 知道哪些 fd 是被关心的，因此当这些 fd 有状态变化时，kernel 将其放入 ready list 并等待下次 epoll_wait() 调用时返回即可

参考

• Chapter 63, The Linux Programming Interface