深度剖析select与poll：网络编程的I/O多路复用基石
在网络编程中，高效处理大量的输入输出（I/O）操作始终是开发者面临的核心挑战之一。传统的 I/O 处理方式，如每个连接分配一个单独的线程，在面对高并发场景时，会迅速暴露出资源消耗过大、线程管理复杂等问题，严重制约了程序的性能和扩展性。而 I/O 多路复用技术的出现，为解决这些难题提供了行之有效的方案。
I/O 多路复用，简单来说，是一种允许单个进程或线程同时监视多个 I/O 通道（如网络连接、文件描述符等）的技术。当其中任何一个通道有数据可读、可写或出现异常等事件发生时，操作系统能够及时通知应用程序进行相应处理。这种机制极大地提高了程序的效率和资源利用率，特别是在处理大量并发 I/O 操作时，优势尤为显著。
select和poll是IO多路复用的两种经典实现方式，在Linux系统以及其他多种操作系统中广泛应用。它们为开发者提供了一种高效管理多个I/O流的手段，了解和掌握它们的工作原理与使用方法，对于编写高性能的网络应用程序至关重要。
一、I/O 多路复用基础
1.1 定义
I/O 多路复用，是一种强大的技术手段，它允许单个进程或线程同时高效地监视多个 I/O 通道 。在网络编程中，这些通道通常表现为网络套接字，而在更广泛的场景下，还涵盖文件描述符等多种形式。其核心工作机制在于，通过特定的系统调用（如select、poll等），进程能够向操作系统内核注册多个感兴趣的 I/O 事件。内核则会在后台持续监控这些事件，一旦其中任何一个 I/O 通道有数据可读、可写，或者出现异常等特定事件发生时，内核会及时通知应用程序。应用程序在接收到通知后，便可对相应的 I/O 事件进行处理。
以一个简单的网络服务器为例，在传统的单线程模型下，若服务器采用阻塞式 I/O，当它在等待某个客户端的连接请求时，整个线程会被阻塞，无法处理其他任何客户端的请求。而借助 I/O 多路复用技术，服务器可以将多个客户端的套接字描述符一次性注册到内核中，内核会同时监控这些套接字的状态。一旦有新的客户端连接到来，或者已有连接上有数据可读，内核会立即通知服务器，服务器便能及时做出响应，极大地提高了服务器的并发处理能力。
1.2 应用场景
-
网络服务器编程：select和poll在Linux系统中常用于网络服务器、文件服务器、数据库服务器等需要处理大量并发I/O的场景。例如，在一个网络服务器中，可能同时有多个客户端连接，服务器需要同时监听这些连接的读、写事件，以便及时处理客户端的请求和响应。通过select和poll，服务器可以在一个进程内高效地管理这些连接，避免了为每个连接创建单独进程或线程带来的资源开销。
-
客户端编程：例如，即时通讯软件的客户端可能需要同时与多个服务器进行通信。I/O多路复用技术使客户端能够高效地管理这些通信连接。
二、select 工作原理
2.1 机制详解
select函数是 I/O 多路复用技术在 UNIX 和类 UNIX 系统中的经典实现。它通过一种独特的方式来监视多个文件描述符的状态变化，从而实现单个进程对多个 I/O 操作的高效管理 。
select函数的原型如下：
int select(int nfds, fd_set \*readfds, fd_set \*writefds, fd_set \*exceptfds, struct timeval \*timeout);
参数详解：
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
tv_sec表示秒数，tv_usec表示微秒数。通过设置timeout，select函数有三种工作状态：
nfds：它是一个整数值，代表需要监视的所有文件描述符中的最大值加 1。这意味着select函数会检查从 0 到nfds - 1的所有文件描述符。例如，如果有三个文件描述符fd1、fd2、fd3，其值分别为 3、5、7，那么nfds的值应为 8。
readfds：这是一个指向fd_set结构的指针，fd_set实际上是一个文件描述符集合。在这个集合中，我们放入那些我们关心其读状态变化的文件描述符。也就是说，我们希望知道这些文件描述符对应的 I/O 通道是否有数据可读。如果该集合中的某个文件描述符有数据可读，select函数返回时会将该文件描述符在readfds集合中的对应位置标记为就绪状态。如果我们不关心任何文件的读变化，可以传入NULL值。
writefds：同样是指向fd_set结构的指针，用于存放我们关心其写状态变化的文件描述符。当这些文件描述符对应的 I/O 通道可写时，select函数返回时会在writefds集合中相应位置标记为就绪。若不关心写操作，可传入NULL。
exceptfds：用于监视文件描述符的异常情况，其原理与readfds和writefds类似。当有异常发生时，对应的文件描述符在exceptfds集合中会被标记。同样，若不关心异常情况，可传入NULL。
timeout：这是一个指向struct timeval结构的指针，用于设置select函数的超时时间。struct timeval结构体定义如下：
若将NULL作为timeout传入，select函数将处于阻塞状态，直到被监视的文件描述符集合中至少有一个文件描述符发生状态变化（可读、可写或出现异常）。
若将tv_sec和tv_usec都设置为 0，即timeval值设为 0 秒 0 毫秒，select函数将变成一个纯粹的非阻塞函数。此时，不管文件描述符是否有变化，它都会立刻返回继续执行。如果文件描述符没有变化，返回值为 0；若有变化，则返回一个正值。
当timeout的值大于 0 时，这就是等待的超时时间。select函数会在timeout时间内阻塞，若在超时时间之内有事件到来（即有文件描述符变为可读、可写或出现异常），函数就会返回；否则，在超时后不管怎样都会返回，返回值根据是否有事件发生以及是否出错而定。
返回值说明：
select函数的返回值是一个整数值，有以下几种情况：
返回值大于 0：表示有文件描述符就绪，即有文件描述符对应的 I/O 通道发生了可读、可写或异常事件。返回值的大小表示就绪的文件描述符的数量。此时，需要通过FD_ISSET宏来检查具体是哪些文件描述符就绪。例如，假设select返回值为 3，这意味着在readfds、writefds和exceptfds这三个集合中，总共有 3 个文件描述符处于就绪状态。
返回值为 0：表示在设置的timeout时间内，没有任何文件描述符就绪，即所有被监视的文件描述符都没有发生可读、可写或异常事件，也就是超时了。
返回值为 -1：表示select函数调用过程中发生了错误，例如系统资源不足、传入的参数无效等。在这种情况下，通常需要通过perror函数打印错误信息，以便定位和解决问题。例如，当select函数返回 -1 时，执行perror("select")，系统会输出类似于select: Resource temporarily unavailable的错误提示，告诉开发者具体的错误原因。
2.2 代码示例
下面通过一个简单的 C 语言代码示例，展示如何使用select函数来监视多个套接字的状态。这个示例模拟了一个简单的服务器，它可以同时监听多个客户端的连接请求，并接收客户端发送的数据。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#define PORT 8000
#define BACKLOG 10
#define MAX_CLIENTS 100
int main() {
int server_fd, new_socket, client_fds[MAX_CLIENTS], max_sd, activity, i, valread;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
// 创建套接字
server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置套接字选项，允许地址重用
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&opt, sizeof(opt)) < 0) {
perror("setsockopt");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 绑定地址和端口
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 监听连接
if (listen(server_fd, BACKLOG) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 初始化客户端文件描述符数组
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
client_fds[i] = 0;
}
printf("Server started, listening on port %d...\n", PORT);
while (1) {
// 清空文件描述符集合
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
// 将服务器套接字添加到读集合中
FD_SET(server_fd, &read_fds);
max_sd = server_fd;
// 将所有活动的客户端套接字添加到读集合中
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
int sd = client_fds[i];
if (sd > 0) {
FD_SET(sd, &read_fds);
}
if (sd > max_sd) {
max_sd = sd;
}
}
// 使用select函数监视文件描述符
activity = select(max_sd + 1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
if (activity < 0) {
perror("select error");
break;
} else if (activity > 0) {
// 检查是否有新的连接请求
if (FD_ISSET(server_fd, &read_fds)) {
new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen);
if (new_socket < 0) {
perror("accept");
continue;
}
// 将新的客户端套接字添加到数组中
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
if (client_fds[i] == 0) {
client_fds[i] = new_socket;
printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", new_socket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
break;
}
}
}
// 处理客户端发送的数据
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
int sd = client_fds[i];
if (FD_ISSET(sd, &read_fds)) {
valread = read(sd, buffer, 1024);
if (valread == 0) {
// 客户端关闭连接
getpeername(sd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen);
printf("Host disconnected, ip %s, port %d \n", inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
close(sd);
client_fds[i] = 0;
} else {
buffer[valread] = '\0';
printf("Received data: %s\n", buffer);
}
}
}
}
}
// 关闭服务器套接字
close(server_fd);
return 0;
}
在这段代码中，首先创建了一个 TCP 套接字，并将其绑定到指定的端口进行监听。然后，通过一个无限循环，使用select函数来监视服务器套接字和所有已连接的客户端套接字。当select函数返回时，如果有新的连接请求（服务器套接字就绪），则接受该连接并将新的客户端套接字添加到数组中。如果是某个客户端套接字就绪，则从该套接字读取数据，并根据读取结果进行相应处理。如果客户端关闭连接，则关闭对应的套接字并将其从数组中移除。
2.3 优缺点分析
select函数作为一种经典的 I/O 多路复用机制，具有以下优点和缺点：
优点：
可移植性好：select函数是 POSIX 标准的一部分，几乎在所有的 UNIX 和类 UNIX 系统中都得到了支持。这使得基于select编写的代码具有很高的可移植性，能够在不同的操作系统平台上运行，而无需进行大量的修改。例如，无论是在 Linux、FreeBSD 还是 Solaris 系统中，select函数的接口和基本行为都是一致的。这对于需要跨平台开发网络应用程序的开发者来说非常方便，大大降低了开发成本和维护难度。
超时精度较高：select函数的超时时间可以精确到微秒级别。通过struct timeval结构体中的tv_sec和tv_usec字段，能够灵活地设置超时时间。这在一些对时间精度要求较高的场景中非常有用，例如在某些实时性要求较高的网络通信应用中，需要精确控制等待 I/O 事件的时间，以确保系统的响应速度和性能。
缺点：
单个进程可监视的文件描述符数量有限：select函数使用fd_set数据结构来存储文件描述符集合，而fd_set的大小是固定的。在大多数系统中，这个大小被限制为FD_SETSIZE，通常为 1024。这意味着在单个进程中，select最多只能监视 1024 个文件描述符。在现代的高并发网络应用中，这个数量往往远远不够。例如，一个大型的 Web 服务器可能需要同时处理数以万计的并发连接，使用select函数就无法满足这种大规模连接的监视需求。虽然可以通过修改头文件来增大FD_SETSIZE的值，但这种方法不仅需要重新编译代码，而且还可能受到系统资源的限制，并且不是一种可移植的解决方案。
轮询效率较低：select函数采用线性轮询的方式来检查文件描述符的状态。当调用select函数时，内核需要遍历所有注册的文件描述符，检查它们是否就绪。随着文件描述符数量的增加，这种线性轮询的方式会导致效率急剧下降。例如，当有 1000 个文件描述符时，内核需要对这 1000 个文件描述符逐个进行检查，即使只有少数几个文件描述符实际上发生了状态变化。这种低效的轮询方式在高并发场景下会消耗大量的 CPU 资源，严重影响系统的性能和响应速度。
用户空间和内核空间数据复制开销大：在每次调用select函数时，需要将用户空间中的fd_set数据结构复制到内核空间，以便内核进行文件描述符状态的检查。当文件描述符数量较多时，这种数据复制的开销会变得非常大。因为每次复制都需要消耗内存带宽和 CPU 资源，并且随着文件描述符数量的增加，复制的时间和资源消耗也会相应增加。这会进一步降低系统的性能，尤其是在处理大量并发连接时，这种开销可能会成为系统的瓶颈。
三、poll 工作原理
3.1 机制详解
poll函数是另一种广泛应用于 I/O 多路复用的系统调用，它为开发者提供了一种高效的方式来监视多个文件描述符的状态 。与select函数相比，poll在某些方面具有独特的优势，特别是在处理大量文件描述符时，表现更为出色。
poll函数通过一个pollfd结构体数组来管理和监视多个文件描述符。其函数原型如下：
int poll(struct pollfd \*fds, nfds_t nfds, int timeout);
参数详解：
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 */
short events; /* 等待的事件 */
short revents; /* 实际发生的事件 */
};
其中，fd字段表示要监视的文件描述符，它可以是套接字、管道、文件等任何类型的文件描述符。events字段用于指定我们对该文件描述符感兴趣的事件类型，这些事件类型通过一系列预定义的宏来表示，例如：
fds：这是一个指向pollfd结构体数组的指针，数组中的每个元素都描述了一个需要监视的文件描述符及其相关事件。pollfd结构体定义如下：
POLLIN：表示有数据可读。当文件描述符对应的 I/O 通道中有数据可以读取时，该事件会被触发。这在网络编程中非常常见，比如当客户端向服务器发送数据时，服务器端对应的套接字描述符就会触发POLLIN事件。
POLLOUT：表示可以写数据且不会阻塞。当文件描述符对应的 I/O 通道准备好接收数据写入，并且写入操作不会导致阻塞时，会触发该事件。例如，当服务器要向客户端发送响应数据时，如果客户端的套接字处于可写状态，就会触发POLLOUT事件。
POLLERR：表示发生错误。当文件描述符对应的设备或通道出现错误时，会触发此事件。比如网络连接中断、硬件故障等情况都可能导致该事件的发生。
POLLHUP：表示挂起事件，通常意味着对方关闭了连接。在网络通信中，如果客户端关闭了与服务器的连接，服务器端对应的套接字描述符就会触发POLLHUP事件。
POLLNVAL：表示非法的文件描述符。如果fd字段中指定的文件描述符无效，例如已经关闭的文件描述符，就会触发该事件。
revents字段则是由poll函数在返回时填充，用于指示实际发生的事件。它的值是events字段中指定的事件类型的一个子集，只有那些实际发生的事件才会在revents中被标记。例如，如果在events中设置了POLLIN和POLLOUT，而实际只有数据可读事件发生，那么revents中只会标记POLLIN事件。
nfds：表示fds数组中元素的数量，即需要监视的文件描述符的总数。这是一个无符号整数，它告诉poll函数需要检查多少个pollfd结构体。例如，如果fds数组中有 10 个元素，那么nfds的值就应该为 10。
timeout：用于设置poll函数的超时时间，单位为毫秒。这个参数决定了poll函数在等待事件发生时的最长等待时间。它有以下几种取值情况：
当timeout为 -1 时，poll函数将处于无限期阻塞状态，直到被监视的文件描述符集合中至少有一个文件描述符发生了指定的事件（如POLLIN、POLLOUT、POLLERR等）。例如，在一个需要持续监听客户端连接的服务器程序中，可以将timeout设为 -1，这样服务器会一直等待，直到有新的客户端连接请求或者已有连接上有数据可读等事件发生。
当timeout为 0 时，poll函数会立即返回，无论是否有事件发生。这在需要快速检查文件描述符状态，而不希望阻塞程序执行的场景中非常有用。例如，在一个需要定期检查多个文件描述符状态，但又不希望因为等待事件而影响其他任务执行的程序中，可以将timeout设为 0，快速获取当前文件描述符的状态信息。
当timeout大于 0 时，poll函数会阻塞等待指定的毫秒数。如果在这段时间内有事件发生，函数会立即返回；如果超时时间结束后仍没有事件发生，函数也会返回，此时返回值为 0。例如，在一个需要在一定时间内等待某个特定事件发生的场景中，可以设置一个合适的timeout值，如 5000 毫秒，表示最多等待 5 秒，如果 5 秒内没有事件发生，则继续执行后续代码。
返回值说明：
poll函数的返回值是一个整数值，用于指示函数的执行结果：
返回值大于 0：表示有文件描述符就绪，即有文件描述符对应的 I/O 通道发生了在events字段中指定的事件。返回值的大小表示就绪的文件描述符的数量。例如，返回值为 3，表示在fds数组中有 3 个文件描述符发生了相应的事件。此时，需要遍历fds数组，通过检查每个元素的revents字段来确定具体是哪些文件描述符就绪以及发生了什么事件。
返回值为 0：表示在设置的timeout时间内，没有任何文件描述符发生指定的事件，即超时了。这意味着在等待期间，所有被监视的文件描述符都没有出现可读、可写或异常等事件。
返回值为 -1：表示poll函数调用过程中发生了错误。可能的原因包括系统资源不足、传入的参数无效、文件描述符已关闭等。在这种情况下，通常需要通过errno全局变量来获取具体的错误信息，以便进行错误处理。例如，当poll函数返回 -1 时，可以通过perror("poll")函数输出错误信息，帮助开发者定位问题。
3.2 代码示例
下面通过一个具体的 C 语言代码示例，展示如何使用poll函数高效地监视多个套接字的状态。该示例模拟了一个简单的服务器，能够同时监听多个客户端的连接请求，并接收和处理客户端发送的数据。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#define PORT 8000
#define BACKLOG 10
#define MAX_CLIENTS 100
int main() {
int server_fd, new_socket, client_fds[MAX_CLIENTS], i, nfds, activity;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
struct pollfd fds[MAX_CLIENTS + 1];
// 创建套接字
server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置套接字选项，允许地址重用
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&opt, sizeof(opt)) < 0) {
perror("setsockopt");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 绑定地址和端口
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 监听连接
if (listen(server_fd, BACKLOG) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 初始化客户端文件描述符数组
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
client_fds[i] = 0;
}
// 初始化pollfd数组
fds[0].fd = server_fd;
fds[0].events = POLLIN;
nfds = 1;
printf("Server started, listening on port %d...\n", PORT);
while (1) {
// 使用poll函数监视文件描述符
activity = poll(fds, nfds, -1);
if (activity < 0) {
perror("poll error");
break;
} else if (activity > 0) {
// 检查是否有新的连接请求
if (fds[0].revents & POLLIN) {
new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen);
if (new_socket < 0) {
perror("accept");
continue;
}
// 将新的客户端套接字添加到数组中
for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
if (client_fds[i] == 0) {
client_fds[i] = new_socket;
fds[nfds].fd = new_socket;
fds[nfds].events = POLLIN;
nfds++;
printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", new_socket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
break;
}
}
}
// 处理客户端发送的数据
for (i = 1; i < nfds; i++) {
if (fds[i].revents & POLLIN) {
int valread = read(fds[i].fd, buffer, 1024);
if (valread == 0) {
// 客户端关闭连接
close(fds[i].fd);
for (int j = i; j < nfds - 1; j++) {
fds[j] = fds[j + 1];
}
nfds--;
printf("Client disconnected\n");
} else {
buffer[valread] = '\0';
printf("Received data: %s\n", buffer);
}
}
}
}
}
// 关闭服务器套接字
close(server_fd);
return 0;
}
在这段代码中，首先创建了一个 TCP 套接字，并将其绑定到指定端口进行监听。然后，初始化一个pollfd数组，将服务器套接字添加到数组中，并设置监视事件为POLLIN，表示监听新的连接请求。在主循环中，使用poll函数阻塞等待事件发生。当有新的连接请求时，接受连接并将新的客户端套接字添加到pollfd数组中，继续监视。当某个客户端套接字有数据可读时，读取数据并进行相应处理。如果客户端关闭连接，则从pollfd数组中移除该套接字。
3.3 优缺点分析
poll函数作为一种成熟的 I/O 多路复用机制，在网络编程中得到了广泛应用，其具有以下优点和缺点：
优点：
没有文件描述符数量的限制：与select函数不同，poll函数没有对单个进程可监视的文件描述符数量设置硬性限制。在select中，由于使用fd_set数据结构，其大小通常被限制为FD_SETSIZE（一般为 1024），这在处理大量并发连接时会成为瓶颈。而poll通过pollfd结构体数组来管理文件描述符，理论上可以监视的文件描述符数量仅受系统资源的限制。这使得poll在处理大规模并发连接的场景中具有明显优势，能够满足现代高并发网络应用的需求。例如，在一个需要处理数万甚至数十万并发连接的大型网络服务器中，poll能够轻松应对，而select则无法胜任。
基于链表存储，效率较高：poll在内核中使用链表来存储文件描述符，这种数据结构相比于select中使用的位图结构，在添加和删除文件描述符时更加高效。当有新的文件描述符需要监视时，poll可以快速地将其添加到链表中，而select则需要对整个fd_set进行重新计算和设置。在处理大量文件描述符的动态变化时，poll的这种链表存储方式能够显著减少操作的时间复杂度，提高系统的性能和响应速度。例如，在一个频繁有客户端连接和断开的网络应用中，poll能够更高效地管理这些连接对应的文件描述符，减少资源开销。
事件通知更加灵活：poll使用pollfd结构体数组，每个元素都独立地描述了一个文件描述符及其关注的事件，这种方式使得事件通知更加灵活和直观。在select中，通过fd_set来表示文件描述符集合，对于不同类型的事件（读、写、异常）需要通过不同的fd_set来分别处理，操作相对繁琐。而在poll中，每个pollfd结构体的events字段可以灵活地设置多种感兴趣的事件，并且revents字段能够清晰地返回实际发生的事件，开发者可以直接根据revents来判断文件描述符的具体状态，编写代码更加简洁明了。例如，在一个需要同时关注套接字的可读和可写事件的场景中，使用poll可以在一个pollfd结构体中轻松设置POLLIN和POLLOUT事件，而在select中则需要分别设置readfds和writefds两个集合。
缺点：
仍然需要轮询获取就绪的文件描述符：尽管poll在数据结构和文件描述符管理上有一定的改进，但它仍然需要通过轮询的方式来检查文件描述符的状态。当调用poll函数返回后，需要遍历pollfd数组，逐个检查每个文件描述符的revents字段，以确定哪些文件描述符就绪。随着文件描述符数量的增加，这种轮询操作的开销会逐渐增大，导致性能下降。特别是在高并发场景下，大量的文件描述符需要轮询检查，会消耗大量的 CPU 资源，影响系统的整体性能。例如，当有 10 万个文件描述符需要监视时，即使只有少数几个文件描述符就绪，poll也需要对这 10 万个文件描述符进行逐一检查，这无疑会浪费大量的时间和资源。
用户空间和内核空间数据复制开销：与select类似，poll在调用时也需要将用户空间的pollfd数组复制到内核空间，以便内核进行文件描述符状态的检查。当文件描述符数量较多时，这种数据复制的开销会变得显著。每次复制都需要消耗内存带宽和 CPU 资源，而且随着文件描述符数量的增加，复制的时间和资源消耗也会相应增加。这在一定程度上限制了poll在处理超大规模并发连接时的性能表现，成为系统性能提升的一个瓶颈。例如，在一个处理百万级并发连接的场景中，频繁地将大量的pollfd数据从用户空间复制到内核空间，会导致系统的内存带宽紧张，CPU 使用率居高不下，从而影响系统的稳定性和响应速度。
四、select 与 poll 性能对比
在实际的网络编程中，深入了解select和poll在不同场景下的性能表现，对于开发者做出合理的技术选型至关重要。下面将从文件描述符数量较少和较多这两种典型场景，以及数据在用户空间和内核空间之间复制的开销等方面，对select和poll进行详细的性能对比分析。
4.1 少量文件描述符
当需要监视的文件描述符数量较少时，例如在一个小型的网络应用中，仅处理几个客户端的连接 。此时，select和poll的性能表现差异并不显著。因为在这种情况下，无论是select的线性轮询方式，还是poll基于链表的遍历方式，所涉及的文件描述符数量有限，遍历操作所消耗的时间和资源都相对较少。而且，由于文件描述符数量少，数据在用户空间和内核空间之间的复制开销也较小。
在这种场景下，select的可移植性优势依然存在，它能够在各种不同的操作系统平台上稳定运行，确保应用程序的兼容性。而poll虽然在文件描述符数量限制方面具有优势，但在少量文件描述符的情况下，这一优势并不明显。从整体性能来看，两者都能够满足应用的需求，开发者可以根据项目的具体需求，如是否需要更简单的代码实现、对可移植性的侧重等，来选择使用select或poll。
4.2 大量文件描述符
当面对大量文件描述符的场景时，select和poll的性能差异就会显著显现出来 。以一个大型的网络服务器为例，它可能需要同时处理数千甚至数万个客户端的连接，对应的文件描述符数量也会非常庞大。
对于select来说，由于其单个进程可监视的文件描述符数量有限（通常为 1024），若要处理大量连接，就需要采用一些复杂的技巧，如动态调整FD_SETSIZE或使用多个进程来处理。但这些方法不仅增加了开发和维护的难度，而且在性能上也存在诸多问题。select采用线性轮询的方式检查文件描述符状态，随着文件描述符数量的急剧增加，这种轮询方式的效率会急剧下降。每一次调用select函数，内核都需要对所有注册的文件描述符进行逐一检查，即使只有少数几个文件描述符实际上发生了状态变化，这种无差别的轮询也会消耗大量的 CPU 资源，导致系统性能严重下降。在处理 10000 个文件描述符时，select的轮询操作可能需要花费数秒甚至更长时间，这在对实时性要求较高的网络应用中是无法接受的。
poll在处理大量文件描述符时，虽然没有文件描述符数量的硬性限制，但它仍然需要通过轮询pollfd数组来获取就绪的文件描述符。随着文件描述符数量的增加，轮询的开销也会逐渐增大。虽然poll基于链表存储文件描述符，在添加和删除文件描述符时相对高效，但在查询就绪文件描述符时，仍然需要遍历整个链表。在有 10000 个文件描述符的情况下，poll的轮询操作同样会消耗大量的 CPU 资源，导致性能下降。不过，相比select，poll在处理大量文件描述符时，由于其链表结构的优势，在一定程度上能够减少操作的时间复杂度，性能表现会相对好一些。但总体而言，在面对超大规模的文件描述符时，poll的性能也会受到较大影响。
4.3 数据复制开销
在select和poll的工作过程中，数据在用户空间和内核空间之间的复制是一个不可忽视的性能因素 。当调用select函数时，需要将用户空间中的fd_set数据结构完整地复制到内核空间，以便内核进行文件描述符状态的检查。在文件描述符数量较多时，fd_set数据结构会变得很大，这种数据复制的开销会变得非常大。因为每次复制都需要消耗大量的内存带宽和 CPU 资源，并且随着文件描述符数量的增加，复制的时间和资源消耗也会相应增加。当有 1000 个文件描述符时，select的数据复制操作可能会占用大量的内存带宽，导致系统的其他 I/O 操作受到影响，同时也会使 CPU 的使用率显著提高。
poll函数在调用时，同样需要将用户空间的pollfd数组复制到内核空间。与select类似，当文件描述符数量较多时，pollfd数组也会变得很大，数据复制的开销也会变得显著。虽然poll在数据结构和文件描述符管理上有一定的改进，但在数据复制开销方面，与select面临着同样的问题。随着文件描述符数量的增加，poll的数据复制操作也会消耗大量的内存带宽和 CPU 资源，成为系统性能提升的瓶颈之一。在处理 10000 个文件描述符时，poll的数据复制开销可能会导致系统内存紧张，CPU 使用率居高不下，从而影响系统的稳定性和响应速度。
五、使用场景推荐
在实际的网络编程中，select和poll各有其独特的优势和适用场景，合理地选择使用它们能够显著提升程序的性能和效率 。以下将根据不同的应用场景，为大家提供使用select和poll的具体建议。
5.1 高并发连接
在高并发连接的场景下，poll通常是更优的选择。因为select对单个进程可监视的文件描述符数量存在限制，一般为 1024，这在处理大量并发连接时会成为瓶颈。而poll没有文件描述符数量的硬性限制，理论上仅受系统资源的约束。在一个需要处理上万甚至数十万并发连接的大型网络服务器中，poll能够更好地应对这种大规模的连接管理需求。例如，在一个面向全球用户的在线游戏服务器中，同时在线的玩家数量可能高达数十万，此时使用poll能够有效地监控大量客户端套接字的状态，确保服务器能够及时响应玩家的各种操作请求。
5.2 低延迟要求
对于延迟要求非常苛刻的场景，select的高精度超时机制使其具有一定的优势 。select的超时时间可以精确到微秒级别，这在一些对实时性要求极高的应用中非常关键。例如，在金融交易系统中，每一次交易的响应时间都可能影响到巨大的资金流动，系统需要能够精确控制等待 I/O 事件的时间，以确保交易的及时性和准确性。在这种情况下，select能够满足对时间精度的严格要求，保证系统能够在极短的时间内对市场变化做出响应。
5.3 可移植性优先
如果项目需要在不同的操作系统平台上广泛部署，那么select的高可移植性就成为了一个重要的考量因素 。select是 POSIX 标准的一部分，几乎在所有的 UNIX 和类 UNIX 系统中都得到了支持。这意味着基于select编写的代码能够在不同的操作系统上稳定运行，无需进行大量的修改。例如，一个跨平台的网络监控工具，需要在 Linux、FreeBSD、Solaris 等多种操作系统上运行，使用select能够确保工具在不同平台上的兼容性和稳定性，降低开发和维护的成本。
5.4 文件描述符数量有限
当应用程序所涉及的文件描述符数量较少，且对性能和可扩展性要求不是特别高时，select是一个简单且有效的选择 。由于在这种情况下，select的文件描述符数量限制不会成为问题，并且其简单的接口和实现方式能够降低开发的复杂度。例如，在一个小型的嵌入式设备网络应用中，设备只需要与少数几个外部设备进行通信，此时使用select来监控这些设备的 I/O 状态，既能够满足需求，又不会给系统带来过多的负担。
5.5 对事件通知灵活性要求高
如果应用程序需要对不同类型的事件进行灵活的监控和处理，poll则更具优势 。poll使用pollfd结构体数组，每个元素都可以独立地描述一个文件描述符及其关注的事件，这种方式使得事件通知更加灵活和直观。例如，在一个需要同时关注套接字的可读、可写、异常以及高优先级数据等多种事件的复杂网络应用中，poll能够方便地设置和管理这些不同类型的事件，开发者可以根据pollfd结构体的revents字段清晰地获取实际发生的事件，从而进行针对性的处理。
六、高级话题：epoll 引入
6.1 引入动机
尽管select和poll在 I/O 多路复用领域发挥了重要作用，但随着网络应用规模的不断扩大，尤其是在面对海量并发连接的场景时，它们的局限性愈发凸显 。在高并发环境下，select受限于单个进程可监视的文件描述符数量，通常为 1024，这远远无法满足大规模连接管理的需求。同时，其线性轮询的方式在处理大量文件描述符时，效率极低，会消耗大量的 CPU 资源，严重影响系统性能。poll虽然在文件描述符数量限制上有所突破，且在数据结构上有一定优化，但它依然需要轮询pollfd数组来获取就绪的文件描述符，随着文件描述符数量的剧增，轮询开销同样会导致性能急剧下降。此外，select和poll在数据复制方面都存在较大开销，每次调用都需要将用户空间的数据结构完整地复制到内核空间，这在文件描述符数量较多时，会占用大量的内存带宽和 CPU 资源。
为了有效解决这些问题，进一步提升 I/O 多路复用的性能，以应对日益增长的高并发网络应用需求，epoll应运而生。epoll作为一种更先进的 I/O 多路复用机制，旨在克服select和poll的局限性，提供更高效、更灵活的解决方案，满足现代网络编程对于高性能和高扩展性的严格要求。
6.2 简介与工作原理
epoll是 Linux 内核为处理大批量文件描述符而设计的一种高效的 I/O 多路复用机制，是对传统select和poll的重大改进 。它引入了全新的数据结构和工作方式，极大地提升了在高并发场景下的性能表现。
epoll主要通过三个系统调用实现其功能：epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait。
epoll_create：用于创建一个epoll实例，并返回一个对应的文件描述符。这个文件描述符将用于后续对epoll实例的所有操作。其函数原型如下：
int epoll_create(int size);
从 Linux 2.6.8 开始，size参数被忽略，但必须大于零。epoll_create函数在内核中创建了一个eventpoll结构体，这个结构体包含了两个关键的数据结构：红黑树（rbr）和就绪链表（rdlist）。红黑树用于高效管理所有需要被监控的文件描述符，它能够保证快速的插入、删除和查找操作，时间复杂度仅为 O (log n)。就绪链表则专门用于存放已经就绪、有事件发生的文件描述符。
epoll_ctl：该函数用于对epoll实例进行控制操作，包括向epoll实例中添加、修改或删除文件描述符，以及设置这些文件描述符所感兴趣的事件类型。其函数原型为：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event \*event);
epfd：是epoll_create返回的epoll实例的文件描述符。
op：表示要对目标文件描述符执行的操作类型，它可以是以下三个值之一：
EPOLL_CTL_ADD：用于向epoll实例中添加一个新的文件描述符，并设置相应的事件监听。当调用EPOLL_CTL_ADD时，内核会将指定的文件描述符添加到红黑树中，并创建一个等待队列项插入到对应的等待队列中，以便在文件描述符有事件发生时能够唤醒epoll线程。
EPOLL_CTL_MOD：用于修改已存在文件描述符的事件监听类型。例如，如果之前只监听了文件描述符的读事件，现在可以通过EPOLL_CTL_MOD来添加对写事件的监听。
EPOLL_CTL_DEL：用于从epoll实例中删除一个文件描述符，同时会移除与该文件描述符相关的所有监听事件和等待队列项。
fd：是需要进行操作的目标文件描述符。
event：是一个指向struct epoll_event结构体的指针，用于指定对该文件描述符所感兴趣的事件类型。struct epoll_event结构体定义如下：
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
events字段是一个位掩码，通过位的或运算（|）可以将以下零个或多个可用事件类型组合在一起：
EPOLLIN：表示关联的文件描述符可用于读操作，即有数据可读。
EPOLLOUT：表示关联的文件描述符可用于写操作，即可以写数据且不会阻塞。
EPOLLPRI：表示文件描述符存在异常情况，例如紧急数据到达。
EPOLLET：这是一个用于设置边缘触发模式的标志位。当设置了该标志位时，epoll将采用边缘触发模式，只有在文件描述符的状态发生变化时才会触发事件通知。
data字段用于存储用户自定义的数据，通常可以是文件描述符本身（fd），也可以是指向其他数据结构的指针（ptr），这在实际应用中非常有用，例如可以通过它来传递与文件描述符相关的上下文信息。
epoll_wait：用于等待在epoll实例上注册的文件描述符发生感兴趣的事件。该函数会阻塞调用线程，直到有事件发生或者超时。其函数原型为：
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event \*events, int maxevents, int timeout);
epfd：是epoll实例的文件描述符。
events：是一个数组，用于存储就绪事件的结果。当epoll_wait函数返回时，这个数组将包含所有就绪的文件描述符及其对应的事件信息。
maxevents：指定events数组的最大容量，即最多可以存储多少个就绪事件。这个参数必须大于零。
timeout：用于指定epoll_wait函数的超时时间，单位为毫秒。当timeout为 -1 时，epoll_wait将无限期阻塞，直到有事件发生；当timeout为 0 时，epoll_wait会立即返回，无论是否有事件发生；当timeout大于 0 时，epoll_wait会阻塞等待指定的毫秒数，如果在这段时间内有事件发生，函数会立即返回，否则超时后返回 0。
epoll的工作流程如下：首先，通过epoll_create创建一个epoll实例，获取对应的文件描述符。然后，使用epoll_ctl将需要监控的文件描述符添加到epoll实例中，并设置相应的事件监听。当有 I/O 事件发生时，内核会将对应的文件描述符添加到就绪链表中。此时，如果调用epoll_wait，它会检查就绪链表，如果链表中有就绪的文件描述符，就会将这些文件描述符及其对应的事件信息填充到events数组中并返回，应用程序就可以对这些就绪的文件描述符进行相应的 I/O 操作。如果就绪链表为空，epoll_wait会根据timeout的设置进行阻塞等待或立即返回。
6.3 优势
与select和poll相比，epoll在处理大量并发连接时展现出了显著的性能优势 。
高效的事件通知机制：epoll采用了事件驱动的方式，通过回调机制实现高效的事件通知。当文件描述符上有事件发生时，内核会直接将该文件描述符添加到就绪链表中，而无需像select和poll那样遍历所有注册的文件描述符。这使得epoll在处理大量文件描述符时，能够快速定位到就绪的文件描述符，极大地提高了事件处理的效率，减少了 CPU 的无谓消耗。例如，在一个拥有 10 万个并发连接的服务器中，select和poll在检查就绪文件描述符时需要对所有 10 万个文件描述符进行遍历，而epoll只需要关注就绪链表中的文件描述符，大大节省了时间和资源。
支持大量文件描述符：epoll没有对单个进程可监控的文件描述符数量进行硬性限制，其可监控的文件描述符数量仅受系统内存的约束。在实际应用中，epoll能够轻松应对数万甚至数十万的并发连接，这使得它非常适合构建大规模的高并发网络应用。相比之下，select的文件描述符数量限制通常为 1024，poll虽然理论上无限制，但在实际处理大量文件描述符时性能会急剧下降。在一个面向全球用户的大型在线游戏服务器中，同时在线的玩家数量可能高达数十万，epoll能够有效地管理这些玩家连接对应的大量文件描述符，确保服务器的稳定运行和高效响应。
减少数据拷贝开销：epoll通过使用内存映射（mmap）技术，实现了用户空间和内核空间共享同一块内存，从而避免了在每次调用时将数据从内核空间到用户空间的重复拷贝。在select和poll中，每次调用都需要将用户空间的文件描述符集合完整地复制到内核空间，当文件描述符数量较多时，这种数据复制的开销非常大，会占用大量的内存带宽和 CPU 资源。而epoll的这种内存共享机制，大大减少了数据拷贝的开销，提高了系统的整体性能。在处理大量文件描述符的场景下，epoll的数据拷贝开销几乎可以忽略不计，而select和poll的数据拷贝操作可能会成为系统性能的瓶颈。
支持边沿触发模式：epoll不仅提供了与select和poll类似的水平触发（Level Triggered，简称LT）模式，还额外支持边沿触发（Edge Triggered，简称ET）模式。在LT模式下，只要文件描述符上有未处理的事件，每次调用epoll_wait都会再次通知应用程序。而在ET模式下，只有当文件描述符的状态从非就绪变为就绪时，才会触发一次事件通知。这种边沿触发模式使得用户空间程序有可能缓存 I/O 状态，减少epoll_wait的调用次数，从而进一步提高应用程序的效率。在一些对性能要求极高的场景中，如高性能的网络数据处理服务器，使用ET模式可以显著减少系统的开销，提高数据处理的速度。但需要注意的是，ET模式对编程的要求相对较高，需要开发者更加精细地处理 I/O 事件，以避免数据丢失等问题。
参考
深入学习IO多路复用select/poll/epoll实现原理