關於I/O多路複用：

I/O多路複用(又被稱為“事件驅動”)，首先要理解的是，作業系統為你提供了一個功能，當你的某個socket可讀或者可寫的時候，它可以給你一個通知。這樣當配合非阻塞的socket使用時，只有當系統通知我哪個描述符可讀了，我才去執行read操作，可以保證每次read都能讀到有效資料而不做純返回-1和EAGAIN的無用功。寫操作類似。作業系統的這個功能通過select/poll/epoll之類的系統呼叫來實現，這些函式都可以同時監視多個描述符的讀寫就緒狀況，這樣，**多個描述符的I/O操作都能在一個執行緒內併發交替地順序完成，這就叫I/O多路複用，這裡的“複用”指的是複用同一個執行緒。

一、I/O複用之select

1、介紹：
select系統呼叫的目的是：在一段指定時間內，監聽使用者感興趣的檔案描述符上的可讀、可寫和異常事件。poll和select應該被歸類為這樣的系統呼叫，它們可以阻塞地同時探測一組支援非阻塞的IO裝置，直至某一個裝置觸發了事件或者超過了指定的等待時間——也就是說它們的職責不是做IO，而是幫助呼叫者尋找當前就緒的裝置。
下面是select的原理圖：

2、select系統呼叫API如下：

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

fd_set結構體是檔案描述符集，該結構體實際上是一個整型陣列，陣列中的每個元素的每一位標記一個檔案描述符。fd_set能容納的檔案描述符數量由FD_SETSIZE指定，一般情況下，FD_SETSIZE等於1024，這就限制了select能同時處理的檔案描述符的總量。

3、下面介紹一下各個引數的含義：
1）nfds引數指定被監聽的檔案描述符的總數。通常被設定為select監聽的所有檔案描述符中最大值加1；
2）readfds、writefds、exceptfds分別指向可讀、可寫和異常等事件對應的檔案描述符集合。這三個引數都是傳入傳出型引數，指的是在呼叫select之前，使用者把關心的可讀、可寫、或異常的檔案描述符通過FD_SET（下面介紹）函式分別新增進readfds、writefds、exceptfds檔案描述符集，select將對這些檔案描述符集中的檔案描述符進行監聽，如果有就緒檔案描述符，select會重置readfds、writefds、exceptfds檔案描述符集來通知應用程式哪些檔案描述符就緒。這個特性將導致select函式返回後，再次呼叫select之前，必須重置我們關心的檔案描述符

struct timeval
{
    long tv_sec;        //秒數
    long tv_usec;       //微秒數
};

4、下面幾個函式（巨集實現）用來操縱檔案描述符集：

void FD_SET(int fd, fd_set *set);   //在set中設定檔案描述符fd
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //清除set中的fd位
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判斷set中是否設定了檔案描述符fd
void FD_ZERO(fd_set *set);          //清空set中的所有位（在使用檔案描述符集前，應該先清空一下）
    //（注意FD_CLR和FD_ZERO的區別，一個是清除某一位，一個是清除所有位）

5、select的返回情況：
1）如果指定timeout為NULL，select會永遠等待下去，直到有一個檔案描述符就緒，select返回；
2）如果timeout的指定時間為0，select根本不等待，立即返回；
3）如果指定一段固定時間，則在這一段時間內，如果有指定的檔案描述符就緒，select函式返回，如果超過指定時間，select同樣返回。
4）返回值情況：
a)超時時間內，如果檔案描述符就緒，select返回就緒的檔案描述符總數（包括可讀、可寫和異常），如果沒有檔案描述符就緒，select返回0；
b)select呼叫失敗時，返回 -1並設定errno，如果收到訊號，select返回 -1並設定errno為EINTR。

6、檔案描述符的就緒條件：
在網路程式設計中，
1）下列情況下socket可讀：
a) socket核心接收緩衝區的位元組數大於或等於其低水位標記SO_RCVLOWAT；
b) socket通訊的對方關閉連線，此時該socket可讀，但是一旦讀該socket，會立即返回0（可以用這個方法判斷client端是否斷開連線）；
c) 監聽socket上有新的連線請求；
d) socket上有未處理的錯誤。
2）下列情況下socket可寫：
a) socket核心傳送緩衝區的可用位元組數大於或等於其低水位標記SO_SNDLOWAT；
b) socket的讀端關閉，此時該socket可寫，一旦對該socket進行操作，該程序會收到SIGPIPE訊號；
c) socket使用connect連線成功之後；
d) socket上有未處理的錯誤。

二、I/O複用之poll

1、poll系統呼叫的原理與原型和select基本類似，也是在指定時間內輪詢一定數量的檔案描述符，以測試其中是否有就緒者。

2、poll系統呼叫API如下：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

3、下面介紹一下各個引數的含義：
1）第一個引數是指向一個結構陣列的第一個元素的指標，每個元素都是一個pollfd結構，用於指定測試某個給定描述符的條件。

struct pollfd
{
    int fd;             //指定要監聽的檔案描述符
    short events;       //指定監聽fd上的什麼事件
    short revents;      //fd上事件就緒後，用於儲存實際發生的時間
}；

待監聽的事件由events成員指定，函式在相應的revents成員中返回該描述符的狀態（每個檔案描述符都有兩個事件，一個是傳入型的events，一個是傳出型的revents，從而避免使用傳入傳出型引數，注意與select的區別），從而告知應用程式fd上實際發生了哪些事件。events和revents都可以是多個事件的按位或。
2）第二個引數是要監聽的檔案描述符的個數，也就是陣列fds的元素個數；
3）第三個引數意義與select相同。

4、poll的事件型別：

在使用POLLRDHUP時，要在程式碼開始處定義_GNU_SOURCE

5、poll的返回情況：
與select相同。

三、I/O複用之epoll

1、介紹：
epoll 與select和poll在使用和實現上有很大區別。首先，epoll使用一組函式來完成，而不是單獨的一個函式；其次，epoll把使用者關心的檔案描述符上的事件放在核心裡的一個事件表中，無須向select和poll那樣每次呼叫都要重複傳入檔案描述符集合事件集。

2、建立一個檔案描述符，指定核心中的事件表：

#include<sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
    //呼叫成功返回一個檔案描述符，失敗返回-1並設定errno。

size引數並不起作用，只是給核心一個提示，告訴它事件表需要多大。該函式返回的檔案描述符指定要訪問的核心事件表，是其他所有epoll系統呼叫的控制代碼。

3、操作核心事件表：

#include<sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    //呼叫成功返回0，呼叫失敗返回-1並設定errno。

epfd是epoll_create返回的檔案控制代碼，標識事件表，op指定操作型別。操作型別有以下3種：

a）EPOLL_CTL_ADD， 往事件表中註冊fd上的事件；
b）EPOLL_CTL_MOD， 修改fd上註冊的事件；
c）EPOLL_CTL_DEL， 刪除fd上註冊的事件。

event引數指定事件，epoll_event的定義如下：

struct epoll_event
{
    __int32_t events;       //epoll事件
    epoll_data_t data;      //使用者資料
};

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

在使用epoll_ctl時，是把fd新增、修改到核心事件表中，或從核心事件表中刪除fd的事件。如果是新增事件到事件表中，可以往data中的fd上新增事件events，或者不用data中的fd，而把fd放到使用者資料ptr所指的記憶體中（因為epoll_data是一個聯合體，只能使用其中一個數據）,再設定events。

3、epoll_wait函式
epoll系統呼叫的最關鍵的一個函式epoll_wait，它在一段時間內等待一個組檔案描述符上的事件。

#include<sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    //函式呼叫成功返回就緒檔案描述符個數，失敗返回-1並設定errno。

timeout引數和select與poll相同，指定一個超時時間；maxevents指定最多監聽多少個事件；events是一個傳出型引數，epoll_wait函式如果檢測到事件就緒，就將所有就緒的事件從核心事件表（epfd所指的檔案）中複製到events指定的陣列中。這個陣列用來輸出epoll_wait檢測到的就緒事件，而不像select與poll那樣，這也是epoll與前者最大的區別，下文在比較三者之間的區別時還會說到。

四、三組I/O複用函式的比較

相同點：
1）三者都需要在fd上註冊使用者關心的事件；
2）三者都要一個timeout引數指定超時時間；
不同點：
1）select：
a）select指定三個檔案描述符集，分別是可讀、可寫和異常事件，所以不能更加細緻地區分所有可能發生的事件；
b）select如果檢測到就緒事件，會在原來的檔案描述符上改動，以告知應用程式，檔案描述符上發生了什麼時間，所以再次呼叫select時，必須先重置檔案描述符；
c）select採用對所有註冊的檔案描述符集輪詢的方式，會返回整個使用者註冊的事件集合，所以應用程式索引就緒檔案的時間複雜度為O(n)；
d）select允許監聽的最大檔案描述符個數通常有限制，一般是1024，如果大於1024，select的效能會急劇下降；
e）只能工作在LT模式。

2）poll：
a）poll把檔案描述符和事件繫結，事件不但可以單獨指定，而且可以是多個事件的按位或，這樣更加細化了事件的註冊，而且poll單獨採用一個元素用來儲存就緒返回時的結果，這樣在下次呼叫poll時，就不用重置之前註冊的事件；
b）poll採用對所有註冊的檔案描述符集輪詢的方式，會返回整個使用者註冊的事件集合，所以應用程式索引就緒檔案的時間複雜度為O(n)。
c）poll用nfds引數指定最多監聽多少個檔案描述符和事件，這個數能達到系統允許開啟的最大檔案描述符數目，即65535。
d）只能工作在LT模式。

3）epoll：
a）epoll把使用者註冊的檔案描述符和事件放到核心當中的事件表中，提供了一個獨立的系統呼叫epoll_ctl來管理使用者的事件，而且epoll採用回撥的方式，一旦有註冊的檔案描述符就緒，講觸發回撥函式，該回調函式將就緒的檔案描述符和事件拷貝到使用者空間events所管理的記憶體，這樣應用程式索引就緒檔案的時間複雜度達到O(1)。
b）epoll_wait使用maxevents來制定最多監聽多少個檔案描述符和事件，這個數能達到系統允許開啟的最大檔案描述符數目，即65535；
c）不僅能工作在LT模式，而且還支援ET高效模式（即EPOLLONESHOT事件，讀者可以自己查一下這個事件型別，對於epoll的執行緒安全有很好的幫助）。

select/poll/epoll總結：