Jul 18·9 min· PV

IO Multiplexing

select poll epoll实现简述

Tip

该笔记主要关注网络 I/O，关于 5 种 IO 模型的介绍，参考 io_models

Select

select 是一种 I/O 多路复用 机制，用于同时监听多个文件描述符上的 I/O 事件就绪情况，如可读、可写或异常状态。

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

判断条件可参考 UNIX 网络编程卷一 6.3.1 章节，下图汇总了相关条件：

timeout

timeout 参数用于设置等待时间，有三种方式：

不等待：轮询文件描述符后立即返回，timeval 中指定时间为 0
等待直到有文件描述符就绪：timeval 中指定等待时间，select 会阻塞直到有文件描述符就绪或超时
无限等待：timeval 设置为 NULL，select 会一直阻塞直到有文件描述符就绪

struct timeval

struct timeval {    long tv_sec;  // seconds, 秒    long tv_usec; // microseconds, 微秒};

Fd Set

fd_set 通常是一个位图（bitmap），在内部实现为一个长整型数组。数组中的每一个比特位（bit）对应一个文件描述符。

这个位图的大小是固定的，由常量 FD_SETSIZE 决定（在 Linux 上通常是 1024），这个在 Linux 内核中是硬编码的，修改改 fd_set 大小需要改源码、重新编译 glibc 和内核

在编写 C 代码时，可以使用下面的宏来操作 fd_set：

FD_ZERO(fd_set *fdset);          // clear all bits in fdsetFD_SET(int fd, fd_set *fdset);   // turn on the bit for fd in fdsetFD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // turn off the bit for fdFD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // is the bit for fd on?

Example

例如，我们希望监听文件描述符 3、5 和 8 的可读事件，可以这样设置 fd_set：

fd_set read_fds;FD_ZERO(&read_fds);FD_SET(3, &read_fds); // 监听 fd 3FD_SET(5, &read_fds); // 监听 fd 5FD_SET(8, &read_fds); // 监听 fd 8select(9, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);

当 select 执行完成后，会返回就绪文件描述符的总个数，并相应的修改 fd_set，将就绪的文件描述符的位设置为 1。为此，每次重新调用 select 前，通常需要再次设置 fd_set。

nfds

nfds（number of file descriptors）通常设置为传入的文件描述符集合中最大的文件描述符加 1，即：

Unix 网络编程卷一指出，“存在这个参数以及计算其值的额外负担纯粹是为了效率原因”。理解该参数的意义，首先假设没有 nfds 参数：

select 函数会将整个 1024-bit 位图（fd_set）复制到内核空间，在函数执行结束后再将位图复制到用户空间，这部分开销是略大的。

而一个普通进程要检查的文件描述符通常远小于 1024 个。仍以上面的代码为例，我们只关心 3, 5, 8 这三个文件描述符，后面的 1015 个 bit 并不关心，这部分数据的传输是不必要的。

通过 nfds 参数，select 可以不必拷贝完整的 1024-bit 位图，而是仅根据 nfds 决定拷贝到哪个字节为止，以节省性能和内存带宽。

Poll

poll 提供了与 select 相似的功能，内核中也是线性扫描数组，时间复杂度仍为。

区别一方面是传入的 fds 大小可以自行更新(仍受系统资源限制)；另外就是 API 简洁一些。

Warning

在 Linux 系统中，每个进程能打开的文件描述符数量是受限的，默认值通常为 1024，具体值可通过 ulimit 命令查看和修改。

而 select 的文件描述符上限还受限于实现层面的硬编码（通常为 FD_SETSIZE，默认 1024），即使系统允许更多 fd，select 依然无法支持。

# 查看当前进程可打开的最大文件描述符数量ulimit -n# 查看系统级别允许的最大文件总数（所有进程合计）cat /proc/sys/fs/file-max

int poll(struct pollfd *fds, unsigned long nfds, int timeout);struct pollfd {    int fd;         // 文件描述符    short events;   // events of interest on fd    short revents;  // events that occurred on fd};

events 每个 bit 代表一种事件，和 select 类似可以划分为读、写、异常三个类别。shell 中运行 man poll 查看更具体的事件类型划分。

revents 在调用 poll 后会被内核填充，表示实际发生的事件。

Epoll

epoll 是 Linux 特有的 I/O 多路复用机制，专为处理大量文件描述符而设计。它比 select 和 poll 更高效，尤其在处理大量并发连接时。对 epoll 的详解可以参考图解 | 深入揭秘 epoll 是如何实现 IO 多路复用的！

特性	select	poll	epoll
接口标准	POSIX	POSIX	Linux 特有
fd 数量限制	受限（一般 1024）	无限制	无限制
fd 表达方式	位图	数组	内核结构
是否复制 fd 集合	每次都要	每次都要	注册一次
扫描复杂度	O(n)	O(n)	O(1)~O(活跃 fd 数)

Epoll LT & ET

维度	水平触发（LT）	边缘触发（ET）
触发条件	只要状态满足（如缓冲区非空），就持续触发	仅状态从 “未就绪→就绪” 时触发一次
事件通知频率	高（未处理完会重复通知）	低（仅状态变化时通知）
数据处理要求	可分多次处理，无需一次完成	必须一次性处理完所有当前数据
是否依赖非阻塞 I/O	可选（阻塞 I/O 也可工作）	必须（否则可能导致线程阻塞）
编程复杂度	低（不易出错）	高（需处理边缘情况，避免数据丢失）
性能	适中	更高（减少通知开销）

Ref

你管这破玩意叫 IO 多路复用？
《UNIX 网络编程》- W. Richard Stevens