Linux：多路转接 select、poll、epoll

1：select

1. 参数解释

2. 函数返回值

3. fd_set

4. fd_set 相关接口

5. timeval

5. 常见使用

6. 理解 select 执行过程

7. select 的特点

8. select 缺点

9. select 应用

2：socket 就绪条件

1. 读事件就绪（Readable）

2. 写就绪（Writable）

3. 异常事件就绪（Exception）

3：poll

1. events 和 revents

2. poll优点

3. poll缺点

4. poll 应用

4：epoll

1. epoll_wait

2. epoll 工作原理

3. 接口总结

4. epoll 的优点

5. epoll 应用

1：select

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select 函数是 POSIX 标准定义的一个系统调用，用于监视多个文件描述符（file descriptors），以确定它们是否具有可读、可写或异常条件。

1. 参数解释

1: int nfds：这是监视的文件描述符集合中最大的文件描述符加一。也就是说，如果你监视的文件描述符最大是 fd_max，那么你应该将 nfds 设置为 fd_max + 1。

2: fd_set *readfds：这是一个指向 fd_set 结构的指针，该结构包含了你想要监视以检查是否有数据可读的文件描述符集合。如果 NULL，则表示不监视任何读文件描述符。

3: fd_set *writefds：这是一个指向 fd_set 结构的指针，包含了你想要监视以检查是否可写的文件描述符集合。如果 NULL，则表示不监视任何写文件描述符。

4: fd_set *exceptfds：这是一个指向 fd_set 结构的指针，包含了你想要监视以检查是否有异常条件的文件描述符集合。在大多数情况下，这用于检查 OOB（out-of-band，紧急）数据。如果 NULL，则表示不监视任何异常文件描述符。

5: struct timeval *timeout：这是一个指向 timeval 结构的指针，它指定了 select 调用等待文件描述符状态改变的最大时间。

参数 timeout 取值:

• NULL： 则表示 select（）没有 timeout， select 将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件;

• 0： 仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

• 特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生， select 将超时返回。

2. 函数返回值

1: 如果有文件描述符准备好了，select 返回准备好的文件描述符的数量。

2: 如果返回 0 代表在描述词状态改变前已超过 timeout 时间，没有返回。

3: 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于 errno，此时参数 readfds， writefds，exceptfds 和 timeout 的值变成不可预测。

错误值可能为：

• EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭。

• EINTR 此调用被信号所中断。

• EINVAL 参数 n 为负值。

• ENOMEM 核心内存不足。

3. fd_set

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 是一个 "位图"。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。

4. fd_set 相关接口

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组 set 中相关fd 的位

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组 set 中相关fd 的位是否为真

void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组 set 中相关fd 的位

void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组 set 的全部位

5. timeval

5. 常见使用

fd_set readset；
FD_SET(fd,&readset);
select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset)){……}

6. 理解 select 执行过程

fd_set 长度为 1 字节， fd_set中的每一 bit 可以对应一个文件描述符 fd。则 1 字节长的 fd_set 最大可以对应 8 个 fd。

(1)： FD_ZERO(&set); 初始化fd_set，所有位都为0，即0000,0000。

(2)：FD_SET(5, &set); 将第5位设置为1，其他位保持不变，变为0001,0000。

(3)：接着将fd=2和fd=1加入集合，分别设置第2位和第1位为1，变为0001,0011。

(4)：select(6, &set, 0, 0, 0); 调用select函数，监控fd_set中文件描述符的可读事件。参数6表示监控的文件描述符最大值为5（因为是从0开始计数的，所以6-1=5），select会阻塞直到有事件发生或超时。

(5)：如果fd=1和fd=2上都发生了可读事件，select会返回，此时fd_set中只有第1位和第2位为1，变为0000,0011。注意，没有事件发生的fd=5对应的位被清空了，因为select函数的行为是只保留那些有事件发生的文件描述符。

7. select 的特点

1：可监控的文件描述符个数取决于 sizeof(fd_set) 的值. 我这边服务器上sizeof(fd_set)＝ 512，每 bit 表示一个文件描述符，则服务器上支持的最大文件描述符是 512*8=4096。

        2：将 fd 加入 select 监控集的同时， 还要再使用一个数据结构 array (辅助数组)保存放到 select监控集中的 fd。
        一：是用于再 select 返回后， array 作为源数据和 fd_set 进行 FD_ISSET 判断。
        二：是 select 返回后会把以前加入的但并无事件发生的 fd 清空，则每次开始select 前都要重新从 array 取得 fd 逐一加入(FD_ZERO 最先)，扫描 array 的同时取得 fd 最大值 maxfd，用于 select 的第一个参数。

8. select 缺点

1：每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合, 从接口使用角度来说也非常不便。

2：每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大。

3：同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大。

5：select 支持的文件描述符数量太小。

9. select 应用

SelectServer · XiangChao/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)https://gitee.com/RuofengMao/linux/tree/master/SelectServer

2：socket 就绪条件

1. 读事件就绪（Readable）

• socket 内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记 SO_RCVLOWAT。此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于 0；

• socket TCP 通信中, 对端关闭连接, 此时对该 socket 读, 则返回 0；

• 监听的 socket 上有新的连接请求；

• socket 上有未处理的错误；

2. 写就绪（Writable）

• socket 内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记 SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于 0;

• socket 的写操作被关闭(close 或者 shutdown). 对一个写操作被关闭的 socket 进行写操作, 会触发 SIGPIPE 信号;

• socket 使用非阻塞 connect 连接成功或失败之后;

• socket 上有未读取的错误;

3. 异常事件就绪（Exception）

•异常事件就绪意味着socket上发生了一些非正常的事件，如连接断开、错误发生等。

•这通常发生在连接被对方强制关闭，或者在socket上发生了一些错误，需要立即处理。

•在select函数中，如果一个socket的异常事件就绪，那么在调用select后，该socket会在返回的异常文件描述符集合中被标记。

3：poll

#include <poll.h>

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

struct pollfd {
    int   fd;         /* 文件描述符 */
    short events;     /* 需要监控的事件 */
    short revents;    /* 已经发生的事件，由 `poll` 函数填充 */
};

参数说明：
    fd：需要监控的文件描述符。
    events：需要监控的事件类型，可以是以下宏的组合：
    POLLIN：有数据可读。
    POLLOUT：写入不会阻塞。
    POLLERR：发生错误。
    POLLHUP：对端关闭连接。
    revents：实际发生的事件，由 poll 函数在调用返回后填充。

返回值：
    返回值小于 0, 表示出错;
    返回值等于 0, 表示 poll 函数等待超时;
    返回值大于 0, 表示 poll 由于监听的文件描述符就绪而返回；

1. events 和 revents

2. poll优点

1. 不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个pollfd的指针实现。

2. pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式. 接口使用比select更方便。

3. poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降)。

3. poll缺点

1. 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

2. 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中。

3. 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降。

4. poll 应用

Poll · XiangChao/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)https://gitee.com/RuofengMao/linux/tree/master/Poll

4：epoll

1:
    创建 epoll 实例：

    int epoll_create(int size);
 
    size 参数通常被忽略，但可以作为内核的提示，告知可能监控的文件描述符数量。

2:
    使用 epoll_ctl 注册事件：

    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    
    epfd：epoll 实例的文件描述符。
    op：操作类型，如 EPOLL_CTL_ADD（添加）、EPOLL_CTL_MOD（修改）、EPOLL_CTL_DEL（删除）。
    fd：要监控的文件描述符。
    event：指向 struct epoll_event 的指针，指定要监控的事件和用户数据。

 typedef union epoll_data {
               void        *ptr;
               int          fd;
               uint32_t     u32;
               uint64_t     u64;
           } epoll_data_t;

           struct epoll_event {
               uint32_t     events;      /* Epoll events */
               epoll_data_t data;        /* User data variable */
           };
events 可以是以下几个宏的集合：
    • EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端 SOCKET 正常关闭);
    • EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
    • EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外数据到来);
    • EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
    • EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
    • EPOLLET : 将 EPOLL 设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的.
    • EPOLLONESHOT： 只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继
续监听这个 socket 的话, 需要再次把这个 socket 加入到 EPOLL 队列里.

3:
    等待事件的发生：

    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    
    epfd：epoll 实例的文件描述符。
    events：用于存储发生的事件的数组。
    maxevents：数组的大小，即最多可以返回的事件数量。
    timeout：等待时间（毫秒），-1 表示无限期等待，0 表示立即返回。

4:
    处理事件：
    在 epoll_wait 返回后，遍历 events 数组，处理每个发生的事件。