面试题：网络编程之IO多路复用基础

Question

请阐述select、poll和epoll这三种IO多路复用机制的特点与区别，并且说明在实际应用场景中，如何选择合适的机制。

Answer 1

select

1. 特点：
   • 支持文件描述符集合：通过fd_set结构体来管理文件描述符集合，它是一个固定大小的数组，默认支持的文件描述符数量有限（通常为1024）。
   • 轮询方式：采用轮询的方式遍历所有注册的文件描述符，检查是否有事件发生。
   • 数据拷贝：每次调用select时，需要将用户态的文件描述符集合拷贝到内核态，返回时又要将内核态的结果拷贝回用户态。
2. 缺点：
   • 文件描述符数量限制：默认的文件描述符数量限制较低，对于高并发场景可能不够用。虽然可以通过修改内核参数等方式扩大，但会带来性能开销。
   • 轮询效率低：随着文件描述符数量的增加，轮询的时间复杂度为O(n)，性能会显著下降。
   • 数据拷贝开销：频繁的数据拷贝增加了系统开销。

poll

1. 特点：
   • 链表管理文件描述符：使用pollfd结构体链表来管理文件描述符，理论上没有文件描述符数量的限制（只受限于系统资源）。
   • 轮询方式：同样采用轮询的方式遍历所有注册的文件描述符，检查事件。
   • 数据拷贝：每次调用poll时，也需要将用户态的文件描述符信息拷贝到内核态，返回时再拷贝回用户态。
2. 优点：
   • 突破文件描述符数量限制：相比select，在文件描述符数量方面更具灵活性。
3. 缺点：
   • 轮询效率低：和select一样，随着文件描述符数量增多，轮询的时间复杂度为O(n)，性能下降明显。
   • 数据拷贝开销：存在用户态和内核态之间的数据拷贝开销。

epoll

1. 特点：
   • 事件驱动：采用事件驱动的方式，当有文件描述符就绪时，内核会通过回调函数将其加入到就绪队列中。
   • 高效管理：使用红黑树来管理文件描述符，查找和插入操作的时间复杂度为O(log n)。
   • 数据拷贝优化：内核和用户空间共享内存，减少了不必要的数据拷贝。当有事件发生时，内核将就绪的文件描述符列表直接传递给用户态。
2. 优点：
   • 高并发性能好：适合处理大量并发连接的场景，对于大量文件描述符的处理效率远高于select和poll。
   • 低开销：减少了轮询开销和数据拷贝开销。

实际应用场景选择

1. 连接数少且活动连接较多场景：
   • 可以选择select或poll，因为它们的实现相对简单，在这种场景下性能不会有太大问题，并且开发和维护成本较低。
2. 高并发且连接活动较少场景：
   • 优先选择epoll，它能高效处理大量并发连接，且在连接活动不频繁时，由于其事件驱动机制，不会有大量无效轮询开销，性能优势明显。例如在处理海量长连接的网络服务器（如Web服务器、即时通讯服务器等）中，epoll是较好的选择。