面试题：C语言中epoll与poll在实现和性能上的差异

Question

在Linux下使用C语言进行高性能网络编程时，epoll和poll都是常用的多路复用机制。请详细分析epoll与poll在数据结构、事件通知机制、性能以及适用场景等方面的差异。并举例说明在什么情况下应优先选择epoll而非poll。

Answer 1

数据结构差异

1. poll：使用pollfd结构体数组，每个结构体包含一个文件描述符fd、事件掩码events和返回的事件掩码revents。这种数组结构在添加和删除文件描述符时需要遍历数组，时间复杂度为O(n)。
2. epoll：在内核中使用红黑树来管理文件描述符集合，添加和删除文件描述符的时间复杂度为O(log n)。同时使用一个就绪链表来保存就绪的文件描述符，获取就绪事件时不需要遍历整个集合。

事件通知机制差异

1. poll：采用轮询方式，每次调用poll时，内核需要遍历整个pollfd数组，检查每个文件描述符的状态，然后将就绪的文件描述符对应的revents字段置位。应用程序也需要遍历数组来获取就绪的文件描述符，时间复杂度为O(n)。
2. epoll：采用回调机制，当文件描述符状态发生变化时，内核会将其添加到就绪链表中。应用程序调用epoll_wait时，只需要从就绪链表中获取就绪的文件描述符，时间复杂度为O(1)。

性能差异

1. poll：随着文件描述符数量的增加，轮询的开销会显著增大，性能会急剧下降，因为每次调用poll都需要遍历所有文件描述符。
2. epoll：由于采用红黑树和就绪链表的数据结构，以及回调的事件通知机制，epoll在处理大量文件描述符时性能更优，尤其是在高并发场景下，其性能不会随着文件描述符数量的增加而明显下降。

适用场景差异

1. poll：适用于文件描述符数量较少且较为固定的场景，因为其简单的数组结构易于理解和实现，对于简单的网络应用开发较为合适。
2. epoll：适用于高并发、大量文件描述符的场景，如网络服务器等。它能够高效地处理大量连接，减少系统开销，提高服务器的并发处理能力。

优先选择epoll的示例场景

当开发一个高性能的网络服务器，需要同时处理成千上万的并发连接时，应优先选择epoll。例如，一个大型的即时通讯服务器，需要处理大量用户的实时连接和消息收发。如果使用poll，随着用户连接数的增加，轮询的开销会变得非常大，导致服务器性能下降。而epoll能够高效地管理这些连接，及时通知应用程序有就绪的事件，保证服务器在高并发情况下的性能和稳定性。