面试题：网络编程中IO多路复用技术的常见模型有哪些及原理

Question

请详细阐述网络编程中select、poll、epoll这几种IO多路复用模型的工作原理，以及它们之间的优缺点比较。

Answer 1

select

1. 工作原理：
   • select函数有三个参数，分别是读文件描述符集合（readfds）、写文件描述符集合（writefds）、异常文件描述符集合（exceptfds），以及一个超时时间（timeout）。
   • 它会轮询检查这三个集合中的文件描述符，当其中某个文件描述符就绪（可读、可写或有异常）时，select函数返回。
   • 调用者需要遍历这些集合，以确定哪些文件描述符已经就绪。
2. 优点：
   • 几乎所有主流操作系统都支持，具有较好的跨平台性。
3. 缺点：
   • 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上通常为1024，可以通过修改宏定义或编译时参数提高，但有一定限度。
   • 每次调用select，都需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，开销较大。
   • 当有大量文件描述符时，轮询检查每个文件描述符是否就绪效率低下。

poll

1. 工作原理：
   • poll使用一个pollfd结构体数组来存储文件描述符及其感兴趣的事件（读、写、异常等）。
   • 内核同样会轮询检查这些文件描述符，当有文件描述符就绪时，poll函数返回。
   • 调用者需要遍历pollfd数组来找出就绪的文件描述符。
2. 优点：
   • 没有文件描述符数量的限制，理论上可以处理任意数量的文件描述符。
   • 相比select，从用户态到内核态的数据拷贝量较小，因为poll使用结构体数组，而不是像select那样使用位图。
3. 缺点：
   • 本质上还是轮询方式，当文件描述符数量众多时，性能会急剧下降。
   • 每次调用poll，同样需要将数据从用户态拷贝到内核态，开销依然存在。

epoll

1. 工作原理：
   • epoll_create：首先通过epoll_create函数创建一个epoll实例，在内核中开辟一块空间用于存储需要监听的文件描述符。
   • epoll_ctl：使用epoll_ctl函数向epoll实例中添加、修改或删除要监听的文件描述符及其感兴趣的事件。
   • epoll_wait：epoll_wait函数等待事件发生。当有事件发生时，epoll会将就绪的文件描述符复制到用户态提供的数组中返回给用户，用户无需遍历所有监听的文件描述符，直接处理返回的就绪文件描述符即可。
   • epoll采用回调机制，当文件描述符状态发生变化时，内核会将其加入到就绪队列中，而不是像select和poll那样轮询检查所有文件描述符。
2. 优点：
   • 支持大量并发连接，能处理大量文件描述符，没有文件描述符数量的限制。
   • 效率高，采用回调机制，只有文件描述符状态发生变化时才会通知，而不是轮询检查所有文件描述符，减少了不必要的开销。
   • 每次调用epoll_wait时，只需要将就绪的文件描述符从内核态拷贝到用户态，而不是像select和poll那样将所有文件描述符都拷贝到内核态并再拷贝回来，进一步提高了效率。
3. 缺点：
   • 只在Linux系统下支持，跨平台性不如select。
   • 实现相对复杂，需要更多的代码和知识来正确使用。

优缺点比较总结

1. 可处理文件描述符数量：
   • select有数量限制，通常为1024。
   • poll理论上无限制。
   • epoll同样无限制，且在处理大量文件描述符时性能更优。
2. 性能：
   • select和poll在文件描述符数量较多时，由于轮询方式，性能较低。
   • epoll采用回调机制，性能更高，尤其适用于高并发场景。
3. 跨平台性：
   • select跨平台性最好，几乎所有主流操作系统都支持。
   • poll也有较好的跨平台性，但略逊于select。
   • epoll仅在Linux系统下支持，跨平台性差。