select和epoll 原理概述&优缺点比较

这个问题在面试跟网络编程相关的岗位的时候基本都会被问到，刚刚看到一个很好的比喻：

就像收本子的班长，以前得一个个学生地去问有没有本子，如果没有，它还得等待一段时间而后又继续问，现在好了，只走一次，如果没有本子，班长就告诉大家去那里交本子，当班长想起要取本子，就去那里看看或者等待一定时间后离开，有本子到了就叫醒他，然后取走。

也许在细节方面不是特别恰当，但是总的来说，比较形象地说出了select和epoll的区别。

下面我将简单明了地概述下两者的原理，并概况两者的优缺点。

select原理概述

调用select时，会发生以下事情：

1. 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，对全部指定设备做一次poll（这里的poll是一个文件操作，它有两个参数，一个是文件fd本身，一个是当设备尚未就绪时调用的回调函数__pollwait，这个函数把设备自己特有的等待队列传给内核，让内核把当前的进程挂载到其中）；
4. 当设备就绪时，设备就会唤醒在自己特有等待队列中的【所有】节点，于是当前进程就获取到了完成的信号。poll文件操作返回的是一组标准的掩码，其中的各个位指示当前的不同的就绪状态（全0为没有任何事件触发），根据mask可对fd_set赋值；
5. 如果所有设备返回的掩码都没有显示任何的事件触发，就去掉回调函数的函数指针，进入有限时的睡眠状态，再恢复和不断做poll，再作有限时的睡眠，直到其中一个设备有事件触发为止。
6. 只要有事件触发，系统调用返回，将fd_set从内核空间拷贝到用户空间，回到用户态，用户就可以对相关的fd作进一步的读或者写操作了。

epoll原理概述

调用epoll_create时，做了以下事情：

1. 内核帮我们在epoll文件系统里建了个file结点；
2. 在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket；
3. 建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。

调用epoll_ctl时，做了以下事情：

1. 把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上；
2. 给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。

调用epoll_wait时，做了以下事情：

观察list链表里有没有数据。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已。

总结如下：

一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，解决了大并发下的socket处理问题。

执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表；
执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据;
执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

两种模式的区别：

LT模式下，只要一个句柄上的事件一次没有处理完，会在以后调用epoll_wait时重复返回这个句柄，而ET模式仅在第一次返回。

两种模式的实现：

当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait检查这些socket，如果是LT模式，并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表。所以，LT模式的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。

对比

select缺点:

1. 最大并发数限制：使用32个整数的32位，即32*32=1024来标识fd，虽然可修改，但是有以下第二点的瓶颈；
2. 效率低：每次都会线性扫描整个fd_set，集合越大速度越慢；
3. 内核/用户空间内存拷贝问题。

epoll的提升：

1. 本身没有最大并发连接的限制，仅受系统中进程能打开的最大文件数目限制；
2. 效率提升：只有活跃的socket才会主动的去调用callback函数；
3. 省去不必要的内存拷贝：epoll通过内核与用户空间mmap同一块内存实现。

当然，以上的优缺点仅仅是特定场景下的情况：高并发，且任一时间只有少数socket是活跃的。

如果在并发量低，socket都比较活跃的情况下，select就不见得比epoll慢了（就像我们常常说快排比插入排序快，但是在特定情况下这并不成立）。