IO多路复用：Select, Poll与Epoll

参考：EPOLL原理详解（图文并茂）

一、网络数据是如何被接收的

  1. 网卡接收到网络数据
  2. 将网络数据暂存到内存当中（DMA传输技术）
  3. 网卡向CPU发起硬件中断
  4. CPU执行中断处理函数，将内存中的数据存储到socket文件描述符中，并唤醒相关进程

Q1: 如何知道要将网络数据存储到哪个socket文件中？
A1: 每个socket都由(IP地址:端口号)唯一标识

Q2: Socket文件由哪几个部分组成？
A2: 输入缓冲区、输出缓冲区和等待队列（存放等待该文件的进程引用）

二、IO多路复用

思想：用一个进程/线程同时监听多个IO操作（如socket），直到它们中的一个或多个准备就绪
优点：

  • 允许单个进程处理大量连接，减少了内存和CPU资源的消耗
  • 减少系统调用的次数，因为一次系统调用可以检查多个IO操作
  • 减少了线程\进程的数量，因此可以减少上下文切换的次数

三、Select和Poll

Select的工作流程：

  1. 在用户态维护一个监听队列（数组），用于存放需要监听的socket
  2. Select系统调用，将当前进程插入所有socket的等待队列后阻塞
  3. 触发中断程序后，将原进程从所有socket的等待队列移除并唤醒
  4. 用户态进程遍历数组找到触发IO的socket并执行相应的操作

缺点：

  • 每次Select系统调用都需要遍历两次队列（将进程插入和删除等待队列）
  • 每次Select系统调用都需要将整个socket数组传递给内核

Poll与Select的主要区别在于使用链表存储需要监听的socket

四、Epoll

Epoll的工作流程：

  1. 在内核中维护eventpoll对象，包含一个监听队列（红黑树）和一个就绪队列（双向链表）
  2. 使用epoll_ctl系统调用向监听队列中添加或删除所要监听的socket
  3. 当socket触发IO事件时，中断程序将socket引用加入就绪队列中，并不直接唤醒进程
  4. 使用epoll_wait系统调用将当前进程插入到eventpoll的等待队列中等待就绪队列的返回
  5. 用户态对准备就绪的socket进行操作