上一篇文章我們了解了Unix標準的5種網絡I/O模型，知道了它們的核心區別與各自的優缺點。尤其是I/O多路復用模型，在高并發場景下，有著非常好的優勢。而Netty也采用了I/O多路復用模型。

那Netty是如何實現I/O多路復用的呢?

Netty實際上也是一個封裝好的框架，它的本質上還是使用了Java的NIO包(New IO，不是網絡I/O模型的NIO，Nonblocking IO)包，Java NIO包里面使用了I/O多路復用。

所以，本文作為一個 前置知識 + 高頻面試題 章節(手動狗頭)，一起來深入了解下I/O多路復用模型吧。

本文預計閱讀時間 5分鐘，將重點回答以下兩個問題：

• I/O多路復用模式有哪些實現?select/poll/epoll
• select/poll/epoll有什么區別

1.I/O多路復用模式的實現

這是我們上一篇講I/O多路復用使用的圖，可以再回顧一下I/O多路復用模型。

多個的進程的IO可以注冊到一個復用器(selector)上，然后用一個進程調用select，select會監聽所有注冊進來的IO。

舉個例子。

在BIO模式中，一個老師(應用進程/線程)只能同時處理一個同學(IO流)的問題。如果有10個同學，就需要配置10個老師來做一對一的講解。

在IO多路復用模型中。我們給 老師 配置了一個 班長(復用器Selector)。班長 負責觀察班級里的10個同學誰要提問，一旦有同學舉手，班長就反饋老師去處理這個舉手同學的問題。

這樣一來，只需要1個老師，老師 只需要注意 班長 的反饋，就能及時處理對應的 同學 的問題了。

下面我們具體來看看I/O多路復用的三種實現：select、poll、epoll。

• 需要注意的是，select，poll，epoll都是IO多路復用的實現方式，而且本質上都是同步I/O，因為它們都需要在讀寫事件就緒后自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的。
• 而異步I/O則無需自己負責進行讀寫，異步I/O的實現會負責把數據從內核拷貝到用戶空間。

2. select

Linux系統提供了一個函數select來供開發者使用select多路復用機制。

該函數的作用是：

通過輪詢，可以同時監視多個文件描述符是否發生了讀、寫、異常這三類IO事件。

最后返回發生IO事件的文件描述符數量，以及讀事件、寫事件、異常事件這三種事件分別發生在哪些文件描述符中(readfds、writefds、errorfds三個參數)。

• 文件描述符(File descriptor)是計算機中的一個術語，用于表述指向文件的引用的抽象化概念。
• Linux下一切皆文件，包括IO設備也是。因此要對某個設備進行操作，就需要打開此設備文件，打開文件就會獲得該文件的文件描述符fd( file discriptor)，它就是一個很小的整數。

我們結合 老師-班長-同學 的模型來理解下這個過程。

• 老師把學生名單(xxxxfds)給班長，讓班長關注班級里的所有同學。
• 班長時刻輪訓班級里每個同學的狀態(輪訓所有fd_set)，直到 超時 或者 有同學舉手。
• 一旦有同學舉手，班長就會把學生名單上有變化的學生名字做標記，并把一共多少個學生有變化返回給 老師。
• 老師可以獲得舉手同學的數量，并在學生名單(xxxxfds)上看的有哪幾個同學發生了事件(讀、寫、異常)。
• 老師拿到學生名單后，輪訓班級里面的每個同學狀態，根據具體的 讀、寫、異常事件 來進行IO處理。

特別注意，在select函數下，老師僅僅知道有學生發生變化了，但到底是哪些學生發生變化，他需要 輪詢 一遍同學名單(xxxfds)，找出舉手的同學，然后和他進行交流。

select的缺點比較明顯：

• 具有O(n)的無差別輪詢時間復雜度，每次調用需要輪詢fd_set，同時處理得越多，輪詢時間就越長。
• 每次調用select函數，都需要把 所有 fd_set從 用戶態 拷貝到 內核態 進行輪訓，如果fd_set比較大，對性能影響就非常大。

3. poll

poll的實現和select非常相似，我們就不重復說明了，直接介紹一下區別。poll函數如下：

主要是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd結構而不是fd_set結構，pollfd結構使用鏈表而非數組，這導致pollfd的長度沒有限制。但是如果pollfd長度過大，會導致性能下降。

除此之外，二者的原理基本一致，即對多個描述符也是進行輪詢，根據描述符的狀態進行處理。

因此，二者的缺陷也基本一致。

4. epoll

epoll的全稱是eventpoll，它是基于event事件進行實現的，是linux特有的I/O復用函數。

它在實現和使用上和select\poll有很大差別：

• epoll通過 一組函數 來完成任務，而不是單個函數。
• epoll把用戶關心的文件描述符fd放在一個 事件表 中，而不是像select/poll那樣把所有文件描述符集合(fds)傳來傳去。
• epoll需要一個額外的文件描述符fd來表示這個 事件表。

不同于select使用三個fd_set來對應讀/寫/異常的IO變化，epoll專門定義了一個epoll_event結構體，將其作為讀/寫/異常的IO變化的邏輯封裝，稱為事件(event)。

4.1 epoll的三個核心函數

epoll把原先的select/poll調用分成了3個函數。

• 調用int epoll_create(int size)建立一個epoll句柄對象，返回一個文件描述符fd，指向 事件表。在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll后，必須調用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。
• 參數size并不是限制了epoll所能監聽的描述符最大個數，只是對內核初始分配內部數據結構的一個建議。

• 調用epoll_ctl向epoll對象中添加連接的套接字。
• epfd就是epoll_creat返回的事件表id。
• op表示具體操作。包括添加fd的監聽事件EPOLL_CTL_ADD、刪除fd的監聽事件EPOLL_CTL_DEL、修改fd的監聽事件EPOLL_CTL_MOD。
• fd是需要監聽的fd(文件描述符)
• event是告訴內核需要監聽哪個事件

• 調用epoll_wait收集發生的事件的連接
• 返回值表示已經準備繼續的文件描述符的總數。
• epfd表示事件表id。
• events表示 準備就緒的事件數組。event_wait如果檢測到事件，就把就緒的事件從 事件表 中復制到這個數組中。(比select/poll高效的地方!!)
• maxevents表示最多監聽多少事件。

4.2 epoll的實現原理

當某一進程調用 epoll_create()方法 時，內核空間會創建一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員變量與epoll的使用方式密切相關，結構體如下所示：

• 紅黑樹根節點rbr：紅黑樹的根節點，這顆樹中存儲著所有添加到epoll中的需要監控的事件
• 鏈表rdlist：鏈表中則存放著將要通過epoll_wait返回給用戶的滿足條件的事件

用 epoll_ctl()方法 將新添加的監控事件event加入到 紅黑樹rbr 中。還會給內核中斷處理程序注冊一個 回調函數，告訴內核，如果這個句柄的中斷到了，就把它放到準備就緒list鏈表里。

一旦基于某個文件描述符就緒時，內核會采用類似callback的回調機制，迅速激活這個文件描述符，被觸發的事件會被 回調函數 加入eventpoll的 鏈表rdlist 中。

當調用 epoll_wait()方法 檢查是否有事件發生時，只需要檢查eventpoll對象中的rdlist鏈表中是否有元素即可。如果鏈表中有數據的話，就把對應有修改的事件event復制到epoll_wait()方法的events數組變量中，用戶就能獲得了。

• 對比select/poll，我們可以看到此處不需要遍歷監聽的文件描述符，這正是epoll的魅力所在。

如此一來，epoll_wait的效率就非常高了。因為調用epoll_wait時，不需要向操作系統復制所有的連接的句柄數據，內核也不需要去遍歷全部的連接。

4.3 epoll中有使用共享內存嗎?

很多博客提到了這點：

• epoll_wait返回時，對于就緒的事件，epoll使用的是共享內存的方式，即用戶態和內核態都指向了就緒鏈表，所以就避免了內存拷貝消耗

但是事實確實如此嗎?

源碼面前無密碼，我們直接看下源碼吧。

參考eventpoll.c的源碼。

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/fs/eventpoll.c

具體的epoll_wait調用關系如下圖所示。

我們可以在put_user中看到具體的說明。

因此，事件確實是從內核空間拷貝到用戶空間的，并沒有使用共享內存。

5.三種實現對比

通過上面的分析，相信大家都已經了解了select/poll/epoll的實現。

下面通過一個表格來總結他們的主要區別。

從整體來看，epoll的實現性能是比select/poll更好的。

當然，如果保持活躍的連接一直非常多，epoll_wait的效率就不一定高了，因為此時epoll_wait的回調函數觸發過于頻繁。

因此，epoll最適合的場景是連接數量很多，但是活躍連接數量不多的情況。

參考書目：

《Linux高性能服務器編程》

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