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select、poll、epoll与kqueue简介

select

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是:

  • 单个进程可监视的fd数量被限制
  • 需要维护一个用来存放大量fd的数据结构,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大
  • 对socket进行扫描时是线性扫描

poll

  • poll本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。
  • 它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的,但是同样有一个缺点:大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。
  • poll还有一个特点是“水平触发”:如果报告了fd后,没有被处理,那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll

  • epoll支持水平触发边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次。
  • 在前面说到的复制问题上,epoll使用mmap减少复制开销。
  • 还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知。
  • epoll 使用红黑树 (RB-tree) 数据结构来跟踪当前正在监视的所有文件描述符。

kqueue

  • kqueue和epoll一样,都是用来替换select和poll的。不同的是kqueue被用在FreeBSD,NetBSD, OpenBSD, DragonFly BSD, 和 macOS中
  • kqueue 不仅能够处理文件描述符事件,还可以用于各种其他通知,例如文件修改监视、信号、异步 I/O 事件 (AIO)、子进程状态更改监视和支持纳秒级分辨率的计时器,此外kqueue提供了一种方式除了内核提供的事件之外,还可以使用用户定义的事件。

注:

  • 水平触发(level-triggered):只要满足条件,就触发一个事件(只要有数据没有被获取,内核就不断通知你)。
  • 边缘触发(edge-triggered):每当状态变化时,触发一个事件。

select、poll、epoll与kqueue区别


select

poll

epoll

kqueue

支持最大连接数

1024(x86) or 2048(x64)

无上限

无上限

无上限

IO效率

每次调用进行线性遍历,时间复杂度为O(N)

每次调用进行线性遍历,时间复杂度为O(N)

使用“事件”通知方式,每当fd就绪,系统注册的回调函数就会被调用,将就绪fd放到rdllist里面,这样epoll_wait返回的时候我们就拿到了就绪的fd。时间发复杂度O(1)。

同epoll

fd拷贝

每次select都拷贝

每次poll都拷贝

调用epoll_ctl时拷贝进内核并由内核保存,之后每次epoll_wait不拷贝

同epoll

总结

当同时需要保持很多的长连接,而且连接的开关很频繁时,就能够发挥epoll最大的优势了。这里与服务器模型其实已经有些交集了。

同时需要保持很多的长连接,而且连接的开关很频繁,最高效的模型是非阻塞、异步IO模型。而且不要用select/poll,这两个API的有着O(N)的时间复杂度。在Linux用epoll,BSD用kqueue,Windows用IOCP,或者用libevent封装的统一接口(对于不同平台libevent实现时采用各个平台特有的API),这些平台特有的API时间复杂度为O(1)。 然而在非阻塞,异步I/O模型下的编程是非常痛苦的。由于I/O操作不再阻塞,报文的解析需要小心翼翼,并且需要亲自管理维护每个链接的状态。并且为了充分利用CPU,还应结合线程池,避免在轮询线程中处理业务逻辑。

但这种模型的效率是极高的。以知名的http服务器nginx为例,可以轻松应付上千万的空连接+少量活动链接,每个连接连接仅需要几K的内核缓冲区,想要应付更多的空连接,只需简单的增加内存(数据来源为淘宝一位工程师的一次技术讲座,并未实测)。这使得DDoS攻击者的成本大大增加,这种模型攻击者只能将服务器的带宽全部占用,才能达到目的,而两方的投入是不成比例的。

注:

  • 长连接:连接后始终不断开,然后进行报文发送和接受。
  • 短链接:每一次通讯都建立连接,通讯完成即断开连接,下次通讯再建立连接。

参考资料


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