UNIX网络编程2 理解select、poll、epoll原理

三者实现原理对比分析

select, poll, epoll都是IO多路复用的机制，上文中提到的多路复用主要是以select为例，select和poll大同小异，因为select和poll的实现有明显的缺点，所以在Linux2.5.44中引入了新的处理大批量句柄的API——epoll，被公认为Linux2.6下性能最好的多路I/O就绪通知方法。这里还是要强调，I/O多路复用机制的目的是应对大量的描述符，并不是所有情况下性能都是最好的（相比于直接的blocking、non-blocking、asynchronous），select、poll、epoll本质上都是同步I/O，因为它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（上文也得出了这个结论，epoll使用mmap机制省去了内核空间到用户空间的数据拷贝，似乎可以认为是异步的）。

select和poll的实现比较相似，重点还是以select为例，epoll可以说是select和poll的增强版，优化了几个方面的性能。

1. select实现原理

1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

2）注册回调函数__pollwait

3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll、udp_poll或者datagram_poll）

4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数

5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll来说，其等待队列是sk->sk_sleep（把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠）。在设备收到一条消息或填写完文件数据后，会唤醒设备等待队列上的进程，这时current便被唤醒了

6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的掩码，根据这个掩码给fd_set赋值

7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的掩码，则会调用schedule_timeout使调用select的进程（也就是current）进入睡眠。当设备驱动发现自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定）还是没被唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd

8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间

select 的几个缺点：

1）每次调用select，都需要把fd集合从用户空间拷贝到内核空间，这个开销在fd很多时会很大

2）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很多时也会很大

3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

2. poll的实现

和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构。其他差不多。

select回调机制，把current加入fd对应的设备等待队列时使用的代码：

1. static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,  
2.                 poll_table *p)  
3. {  
4.     struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);  
5.     if (!entry)  
6.         return;  
7.     get_file(filp);  
8.     entry->filp = filp;  
9.     entry->wait_address = wait_address;  
10.     //设置等待的进程为current，回调函数为default_wake_function
11.     init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);  
12.     //添加到等待队列中
13.     add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);  
14. }  

其中init_waitqueue_entry实现如下：

1. static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)  
2. {  
3.     q->flags = 0;  
4.     q->private = p;  
5.     q->func = default_wake_function;  
6. }  

上面的代码是说建立一个poll_table_entry结构entry，首先把current设置为entry->wait的private成员，同时把default_wake_function设为entry->wait的func成员，然后把entry->wait链入到wait_address中（这个wait_address就是设备的等待队列，在tcp_poll中就是sk_sleep）。

3. epoll实现

我们重点看一下epoll是克服select/poll的三个明显缺点的。

在调用接口上，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数：epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait。epoll_create是创建一个epoll句柄，epoll_ctl是注册要监听的事件类型，epoll_wait是等待事件的产生。

对于第一个缺点，epoll的解决方案在epoll_ctl函数中。每次注册新的事件到epoll句柄中时（在epoll_ctl中指定EPOLL_CTL_ADD），会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。

对于第二个缺点，epoll的解决方案不像select或poll一样每次都把current轮流加入fd对应的设备等待队列中，而只在epoll_ctl时把current挂一遍，并为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表。epoll_wait的工作实际上就是在这个就绪链表中查看有没有就绪的fd（就绪链表是否为空）。

对于第三个缺点，epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048，具体可以cat /proc/sys/fs/file-max查看，在1GB内存的机器上大约是10万左右。

epoll回调机制：

1. /* 
2.  * This is the callback that is used to add our wait queue to the 
3.  * target file wakeup lists. 
4.  */  
5. static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,  
6.                  poll_table *pt)  
7. {  
8.     struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);  
9.     struct eppoll_entry *pwq;  
10.   
11.     if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {  
12.         init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);  
13.         pwq->whead = whead;  
14.         pwq->base = epi;  
15.         add_wait_queue(whead, &pwq->wait);  
16.         list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);  
17.         epi->nwait++;  
18.     } else {  
19.         /* We have to signal that an error occurred */  
20.         epi->nwait = -1;  
21.     }  
22. }  

其中init_waitqueue_func_entry的实现如下：

1. static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q,  
2.                     wait_queue_func_t func)  
3. {  
4.     q->flags = 0;  
5.     q->private = NULL;  
6.     q->func = func;  
7. }  

可以看到，总体上和select实现是类似的，只不过它是创建了一个epoll_entry结构pwq，pwq->wait的func成员被设置成了回调函数ep_poll_callback（而不是default_wake_function，所以这里并不会有唤醒操作而只是执行回调函数），private成员被设置成了NULL。最后把pwq->wait链入到whead中（也就是设备等待队列中）。这样，当设备等待队列中的进程被唤醒时，就会调用ep_poll_callback了。

重新梳理一下epoll的流程：

当epoll_wait时，它会判断就绪链表中有没有就绪的fd，如果没有，则把current进程加入到一个等待队列(file->private_data->wq)中，并在一个while(1)循环中判断就绪队列是否为空，并结合schedule_timeout实现睡一会。如果current进程在睡眠中，设备就绪了，就会调用回调函数。在回调函数中，会把就绪的fd放到就绪链表，并唤醒等待队列（file->private_data->wq）中的current进程，这样epoll_wait又能继续执行下去了。

总结：

1）epoll调用epoll_wait轮询就绪链表，不像select、poll一样要轮询所有fd集合。在epoll中，设备就绪时，调用回调函数，就把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和唤醒交替，但select和poll在醒着的时候要遍历整个fd集合，而epoll在醒着的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，节省了大量的CPU时间，这就是回调机制带来的性能提升。

2）select、poll每次调用都要把fd集合从用户空间往内核空间拷贝一次，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是挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

参考资料：

http://www.linuxidc.com/Linux/2012-05/59873.htm

http://blog.csdn.net/lingfengtengfei/article/details/12398299