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select和epoll的區別

首先我們來定義流的概念。一個流可以是檔案,socket,pipe等等可以進行I/O操作的核心物件。不管是檔案,還是套接字,還是管道,我們都可以把他們看作流。 之後我們來討論I/O的操作,通過read,我們可以從流中讀入資料;通過write,我們可以往流寫入資料。 現在假定一個情形,我們需要從流中讀資料,但是流中還沒有資料,(典型的例子為,客戶端要從socket讀如資料,但是伺服器還沒有把資料傳回來),這時候該怎麼辦?

阻塞

阻塞是個什麼概念呢?比如某個時候你在等快遞,但是你不知道快遞什麼時候過來,而且你沒有別的事可以幹(或者說接下來的事要等快遞來了才能做);那麼你可以去睡覺了,因為你知道快遞把貨送來時一定會給你打個電話(假定一定能叫醒你)。

非阻塞忙輪詢

接著上面等快遞的例子,如果用忙輪詢的方法,那麼你需要知道快遞員的手機號,然後每分鐘給他掛個電話:“你到了沒?”很明顯一般人不會用第二種做法,不僅顯很無腦,浪費話費不說,還佔用了快遞員大量的時間。大部分程式也不會用第二種做法,因為第一種方法經濟而簡單,經濟是指消耗很少的CPU時間,如果執行緒睡眠了,就掉出了系統的排程佇列,暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。

緩衝區

為了瞭解阻塞是如何進行的,我們來討論緩衝區,以及核心緩衝區,最終把I/O事件解釋清楚。 緩衝區的引入是為了減少頻繁I/O操作而引起頻繁的系統呼叫(你知道它很慢的),當你操作一個流時,更多的是以緩衝區為單位進行操作,這是相對於使用者空間而言。對於核心來說,也需要緩衝區。 假設有一個管道,程序A為管道的寫入方,B為管道的讀出方。假設一開始核心緩衝區是空的,B作為讀出方,被阻塞著。然後首先A往管道寫入,這時候核心緩衝區由空的狀態變到非空狀態,核心就會產生一個事件告訴B該醒來了,這個事件姑且稱之為“緩衝區非空

”。 但是“緩衝區非空”事件通知B後,B卻還沒有讀出資料;且核心許諾了不能把寫入管道中的資料丟掉這個時候,A寫入的資料會滯留在核心緩衝區中,如果核心也緩衝區滿了,B仍未開始讀資料,最終核心緩衝區會被填滿,這個時候會產生一個I/O事件,告訴程序A,你該等等(阻塞)了,我們把這個事件定義為“緩衝區滿”。 假設後來B終於開始讀資料了,於是核心的緩衝區空了出來,這時候核心會告訴A,核心緩衝區有空位了,你可以從長眠中醒來了,繼續寫資料了,我們把這個事件叫做“緩衝區非滿”。 也許事件Y1已經通知了A,但是A也沒有資料寫入了,而B繼續讀出資料,知道核心緩衝區空了。這個時候核心就告訴B,你需要阻塞了!,我們把這個時間定為“緩衝區空”
。 這四個情形涵蓋了四個I/O事件,緩衝區滿,緩衝區空,緩衝區非空,緩衝區非滿(注都是說的核心緩衝區,且這四個術語都是我生造的,僅為解釋其原理而造)。 這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。

select

阻塞I/O模式下,一個執行緒只能處理一個流的I/O事件。如果想要同時處理多個流,要麼多程序(fork),要麼多執行緒(pthread_create),很不幸這兩種方法效率都不高。 於是再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式,我們發現我們可以同時處理多個流了。我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍,又從頭開始。這樣就可以處理多個流了,但這樣的做法顯然不好,因為如果所有的流都沒有資料,那麼只會白白浪費CPU。

while true {
	for i in stream[]; {
		if i has data
			read until unavailable
	}
}

這裡要補充一點,阻塞模式下,核心對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒,而非阻塞模式下則把I/O事件交給其他物件(後文介紹的select以及epoll)處理甚至直接忽略。 為了避免CPU空轉,可以引進了一個代理(一開始有一位叫做select的代理,後來又有一位叫做poll的代理,不過兩者的本質是一樣的)。這個代理比較厲害,可以同時觀察許多流的I/O事件,在空閒的時候,會把當前執行緒阻塞掉,當有一個或多個流有I/O事件時,就從阻塞態中醒來,於是我們的程式就會輪詢一遍所有的流(於是我們可以把“忙”字去掉了)。

while true {
	select(streams[])
	for i in streams[] {
		if i has data
			read until unavailable
	}
}

於是,如果沒有I/O事件產生,我們的程式就會阻塞在select處。但是依然有個問題,我們從select那裡僅僅知道了,有I/O事件發生了,但卻並不知道是那幾個流(可能有一個,多個,甚至全部),我們只能無差別輪詢所有流,找出能讀出資料,或者寫入資料的流,對他們進行操作。使用select,我們有O(n)的無差別輪詢複雜度,同時處理的流越多,每一次無差別輪詢時間就越長。

epoll

再次說了這麼多,終於能好好解釋epoll了。 epoll可以理解為event poll,不同於忙輪詢和無差別輪詢,epoll之會把哪個流發生了怎樣的I/O事件通知我們。此時我們對這些流的操作都是有意義的。(複雜度降低到了O(k),k為產生I/O事件的流的個數。) 在討論epoll的實現細節之前,先把epoll的相關操作列出: epoll_create 建立一個epoll物件,一般epollfd = epoll_create() epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合體),往epoll物件中增加/刪除某一個流的某一個事件

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有緩衝區內有資料時epoll_wait返回
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//緩衝區可寫入時epoll_wait返回

epoll_wait(epollfd,…)等待直到註冊的事件發生

while true {
	active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
	fori in active_stream[] {
		read or write till unavailable
	}
}