2022-04-16 13:24 已编辑东北大学 Java

关注

12. 文件描述符fd、select、poll、epoll

1. 从阻塞io到io多路复用

阻塞 I/O，是指进程发起调用后，读取的数据一直没准备好，进程会被挂起（阻塞），直到收到数据再返回。如果调用一直不返回，进程就会一直被挂起。因此，当使用阻塞 I/O 时，需要使用多线程来处理多个文件描述符。
多线程切换有一定的开销，因此引入非阻塞 I/O。非阻塞 I/O 不会将进程挂起，调用时会立即返回成功或错误，因此可以在一个线程里轮询多个文件描述符是否就绪。
但是非阻塞 I/O 的缺点是：每次发起系统调用，只能检查一个文件描述符是否就绪。当文件描述符很多时，系统调用的成本很高。
因此引入了 I/O 多路复用，可以通过一次系统调用，检查多个文件描述符的状态。这是 I/O 多路复用的主要优点，相比于非阻塞 I/O，在文件描述符较多的场景下，避免了频繁的用户态和内核态的切换，减少了系统调用的开销。
I/O 多路复用相当于将遍历所有文件描述符、通过非阻塞 I/O 查看其是否就绪的过程从用户线程移到了内核中，由内核来负责轮询。
进程可以通过 select、poll、epoll 发起 I/O 多路复用的系统调用，这些系统调用都是同步阻塞的：如果传入的多个文件描述符中，有描述符就绪，则返回就绪的描述符；否则如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞时长超过设置的 timeout 后，再返回。I/O 多路复用内部使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。
如果 timeout 参数设为 NULL，会无限阻塞直到某个描述符就绪；如果 timeout 参数设为 0，会立即返回，不阻塞。I/O 多路复用引入了一些额外的操作和开销，性能更差。但是好处是用户可以在一个线程内同时处理多个 I/O 请求。如果不采用 I/O 多路复用，则必须通过多线程的方式，每个线程处理一个 I/O 请求。后者线程切换也是有一定的开销的。这部分内容可以查看最下文 Redis 的线程模型。

2. 为什么 I/O 多路复用内部需要使用非阻塞 I/O

I/O 多路复用内部会遍历集合中的每个文件描述符，判断其是否就绪：

for fd in read_set
    if（ readable(fd) ) // 判断 fd 是否就绪
        count++
        FDSET(fd, &res_rset) // 将 fd 添加到就绪集合中
        break
...
return count

这里的 readable(fd) 就是一个非阻塞 I/O 调用。试想，如果这里使用阻塞 I/O，那么 fd 未就绪时，select 会阻塞在这个文件描述符上，无法检查下个文件描述符。
注意：这里说的是 I/O 多路复用的内部实现，而不是说，使用 I/O 多路复用就必须使用非阻塞 I/O，见下文为什么边缘触发必须使用非阻塞 I/O。

Select

函数签名与参数

int select(int nfds,
            fd_set *restrict readfds,
            fd_set *restrict writefds,
            fd_set *restrict errorfds,
            struct timeval *restrict timeout);

readfds、writefds、errorfds 是三个文件描述符集合。select 会遍历每个集合的前 nfds 个描述符，分别找到可以读取、可以写入、发生错误的描述符，统称为“就绪”的描述符。然后用找到的子集替换参数中的对应集合，返回所有就绪描述符的总数。
timeout 参数表示调用 select 时的阻塞时长。如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞超过设置的 timeout 后，返回。如果 timeout 参数设为 NULL，会无限阻塞直到某个描述符就绪；如果 timeout 参数设为 0，会立即返回，不阻塞。

什么是文件描述符 fd

文件描述符（file descriptor）是一个非负整数，从 0 开始。进程使用文件描述符来标识一个打开的文件。
系统为每一个进程维护了一个文件描述符表，表示该进程打开文件的记录表，而文件描述符实际上就是这张表的索引。当进程打开（open）或者新建（create）文件时，内核会在该进程的文件列表中新增一个表项，同时返回一个文件描述符 —— 也就是新增表项的下标。
一般来说，每个进程最多可以打开 64 个文件，fd ∈ 0~63。在不同系统上，最多允许打开的文件个数不同，Linux 2.4.22 强制规定最多不能超过 1,048,576。
每个进程默认都有 3 个文件描述符：0 (stdin)、1 (stdout)、2 (stderr)。

socket 与 fd 的关系

socket 是 Unix 中的术语。socket 可以用于同一台主机的不同进程间的通信，也可以用于不同主机间的通信。一个 socket 包含地址、类型和通信协议等信息，通过 socket() 函数创建：

int socket(int domain, int type, int protocol)

返回的就是这个 socket 对应的文件描述符 fd。操作系统将 socket 映射到进程的一个文件描述符上，进程就可以通过读写这个文件描述符来和远程主机通信。
可以这样理解：socket 是进程间通信规则的高层抽象，而 fd 提供的是底层的具体实现。socket 与 fd 是一一对应的。通过 socket 通信，实际上就是通过文件描述符 fd 读写文件。这也符合 Unix“一切皆文件”的哲学。
后面可以将 socket 和 fd 视为同义词。

fd_set 文件描述符集合

参数中的 fd_set 类型表示文件描述符的集合。
由于文件描述符 fd 是一个从 0 开始的无符号整数，所以可以使用 fd_set 的二进制每一位来表示一个文件描述符。某一位为 1，表示对应的文件描述符已就绪。比如比如设 fd_set 长度为 1 字节，则一个 fd_set 变量最大可以表示 8 个文件描述符。当 select 返回 fd_set = 00010011 时，表示文件描述符 1、2、5 已经就绪。
fd_set 的使用涉及以下几个 API：

#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);  // 将 fd_set 所有位置 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // 将 fd_set 某一位置 0
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);  // 将 fd_set 某一位置 1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检测 fd_set 某一位是否为 1

select 使用示例

下图的代码说明：

先声明一个 fd_set 类型的变量 readFDs
调用 FD_ZERO，将 readFDs 所有位置 0
调用 FD_SET，将 readFDs 感兴趣的位置 1，表示要监听这几个文件描述符
将 readFDs 传给 select，调用 select
select 会将 readFDs 中就绪的位置 1，未就绪的位置 0，返回就绪的文件描述符的数量
当 select 返回后，调用 FD_ISSET 检测给定位是否为 1，表示对应文件描述符是否就绪

比如进程想监听 1、2、5 这三个文件描述符，就将 readFDs 设置为 00010011，然后调用 select。如果 fd=1、fd=2 就绪，而 fd=5 未就绪，select 会将 readFDs 设置为 00000011 并返回 2。

如果每个文件描述符都未就绪，select 会阻塞 timeout 时长，再返回。这期间，如果 readFDs 监听的某个文件描述符上发生可读事件，则 select 会将对应位置 1，并立即返回。

select 的缺点

性能开销大调用 select 时会陷入内核，这时需要将参数中的 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间内核需要遍历传递进来的所有 fd_set 的每一位，不管它们是否就绪
同时能够监听的文件描述符数量太少。受限于 sizeof(fd_set) 的大小，在编译内核时就确定了且无法更改。一般是 1024，不同的操作系统不相同

poll

poll 和 select 几乎没有区别。poll 在用户态通过数组方式传递文件描述符，在内核会转为链表方式存储，没有最大数量的限制。

poll 的函数签名如下：

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

其中 fds 是一个 pollfd 结构体类型的数组，调用 poll() 时必须通过 nfds 指出数组 fds 的大小，即文件描述符的数量。详细描述见 manpage - poll(2)。

从性能开销上看，poll 和 select 的差别不大。

epoll

epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。

简而言之，epoll 有以下几个特点：

使用红黑树存储文件描述符集合
使用队列存储就绪的文件描述符
每个文件描述符只需在添加时传入一次；通过事件更改文件描述符状态

select、poll 模型都只使用一个函数，而 epoll 模型使用三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。

epoll_create

int epoll_create(int size);

epoll_create 会创建一个 epoll 实例，同时返回一个引用该实例的文件描述符。

返回的文件描述符仅仅指向对应的 epoll 实例，并不表示真实的磁盘文件节点。其他 API 如 epoll_ctl、epoll_wait 会使用这个文件描述符来操作相应的 epoll 实例。

当创建好 epoll 句柄后，它会占用一个 fd 值，在 linux 下查看 /proc/进程id/fd/，就能够看到这个 fd。所以在使用完 epoll 后，必须调用 close(epfd) 关闭对应的文件描述符，否则可能导致 fd 被耗尽。当指向同一个 epoll 实例的所有文件描述符都被关闭后，操作系统会销毁这个 epoll 实例。

epoll 实例内部存储：

监听列表：所有要监听的文件描述符，使用红黑树
就绪列表：所有就绪的文件描述符，使用链表

epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll_ctl 会监听文件描述符 fd 上发生的 event 事件。

参数说明：

epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
fd 表示要监听的目标文件描述符
event 表示要监听的事件（可读、可写、发送错误…）
op 表示要对 fd 执行的操作，有以下几种：
- EPOLL_CTL_ADD：为 fd 添加一个监听事件 event
- EPOLL_CTL_MOD：Change the event event associated with the target file descriptor fd（event 是一个结构体变量，这相当于变量 event 本身没变，但是更改了其内部字段的值）
- EPOLL_CTL_DEL：删除 fd 的所有监听事件，这种情况下 event 参数没用

返回值 0 或 -1，表示上述操作成功与否。

epoll_ctl 会将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例的监听列表里，同时为 fd 设置一个回调函数，并监听事件 event。当 fd 上发生相应事件时，会调用回调函数，将 fd 添加到 epoll 实例的就绪队列上。

epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
               int maxevents, int timeout);

这是 epoll 模型的主要函数，功能相当于 select。

参数说明：

epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
events 是一个数组，保存就绪状态的文件描述符，其空间由调用者负责申请 maxevents 指定 events 的大小
timeout 类似于 select 中的 timeout。如果没有文件描述符就绪，即就绪队列为空，则 epoll_wait 会阻塞 timeout 毫秒。如果 timeout 设为 -1，则 epoll_wait 会一直阻塞，直到有文件描述符就绪；如果 timeout 设为 0，则 epoll_wait 会立即返回

返回值表示 events 中存储的就绪描述符个数，最大不超过 maxevents。

epoll 的优点

一开始说，epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。
对于“文件描述符数量少”，select 使用整型数组存储文件描述符集合，而 epoll 使用红黑树存储，数量较大。
对于“性能开销大”，epoll_ctl 中为每个文件描述符指定了回调函数，并在就绪时将其加入到就绪列表，因此 epoll 不需要像 select 那样遍历检测每个文件描述符，只需要判断就绪列表是否为空即可。这样，在没有描述符就绪时，epoll 能更早地让出系统资源。
相当于时间复杂度从 O(n) 降为 O(1)
此外，每次调用 select 时都需要向内核拷贝所有要监听的描述符集合，而 epoll 对于每个描述符，只需要在 epoll_ctl 传递一次，之后 epoll_wait 不需要再次传递。这也大大提高了效率。