Linux內(nèi)核中select, poll和epoll的區(qū)別

隨著2.6內(nèi)核對(duì)epoll的完全支持，網(wǎng)絡(luò)上很多的文章和示例代碼都提供了這樣一個(gè)信息：使用epoll代替?zhèn)鹘y(tǒng)的poll能給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用帶來(lái)性能上的提升。但大多文章里關(guān)于性能提升的原因解釋的較少，這里我將試分析一下內(nèi)核（2.6.21.1）代碼中poll與epoll的工作原理，然后再通過(guò)一些測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比具體效果。

??? ???POLL：

??? ?? 先說(shuō)poll，poll或select為大部分Unix/Linux程序員所熟悉，這倆個(gè)東西原理類(lèi)似，性能上也不存在明顯差異，但select對(duì)所監(jiān)控的文件描述符數(shù)量有限制，所以這里選用poll做說(shuō)明。
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??? ?? poll是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，其內(nèi)核入口函數(shù)為sys_poll，sys_poll幾乎不做任何處理直接調(diào)用do_sys_poll，do_sys_poll的執(zhí)行過(guò)程可以分為三個(gè)部分：

??? ?? 1，將用戶(hù)傳入的pollfd數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，因?yàn)榭截惒僮骱蛿?shù)組長(zhǎng)度相關(guān)，時(shí)間上這是一個(gè)O（n）操作，這一步的代碼在do_sys_poll中包括從函數(shù)開(kāi)始到調(diào)用do_poll前的部分。

??? ?? 2，查詢(xún)每個(gè)文件描述符對(duì)應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，如果該設(shè)備尚未就緒，則在該設(shè)備的等待隊(duì)列中加入一項(xiàng)并繼續(xù)查詢(xún)下一設(shè)備的狀態(tài)。查詢(xún)完所有設(shè)備后如果沒(méi)有一個(gè)設(shè)備就緒，這時(shí)則需要掛起當(dāng)前進(jìn)程等待，直到設(shè)備就緒或者超時(shí)，掛起操作是通過(guò)調(diào)用schedule_timeout執(zhí)行的。設(shè)備就緒后進(jìn)程被通知繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)再次遍歷所有設(shè)備，以查找就緒設(shè)備。這一步因?yàn)閮纱伪闅v所有設(shè)備，時(shí)間復(fù)雜度也是O（n），這里面不包括等待時(shí)間。相關(guān)代碼在do_poll函數(shù)中。

??? ?? 3，將獲得的數(shù)據(jù)傳送到用戶(hù)空間并執(zhí)行釋放內(nèi)存和剝離等待隊(duì)列等善后工作，向用戶(hù)空間拷貝數(shù)據(jù)與剝離等待隊(duì)列等操作的的時(shí)間復(fù)雜度同樣是O（n），具體代碼包括do_sys_poll函數(shù)中調(diào)用do_poll后到結(jié)束的部分。

??? ???EPOLL：

??? ?? 接下來(lái)分析epoll，與poll/select不同，epoll不再是一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)調(diào)用，而是由epoll_create/epoll_ctl/epoll_wait三個(gè)系統(tǒng)調(diào)用組成，后面將會(huì)看到這樣做的好處。

??? ?? 先來(lái)看sys_epoll_create(epoll_create對(duì)應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)），這個(gè)函數(shù)主要是做一些準(zhǔn)備工作，比如創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，初始化數(shù)據(jù)并最終返回一個(gè)文件描述符（表示新創(chuàng)建的虛擬epoll文件），這個(gè)操作可以認(rèn)為是一個(gè)固定時(shí)間的操作。

??? ??? epoll是做為一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣做至少有以下兩個(gè)好處：

??? ??? 1，可以在內(nèi)核里維護(hù)一些信息，這些信息在多次epoll_wait間是保持的，比如所有受監(jiān)控的文件描述符。

??? ??? 2， epoll本身也可以被poll/epoll;

??? ?? 具體epoll的虛擬文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和性能分析無(wú)關(guān)，不再贅述。

??? ?? 在sys_epoll_create中還能看到一個(gè)細(xì)節(jié)，就是epoll_create的參數(shù)size在現(xiàn)階段是沒(méi)有意義的，只要大于零就行。

??? ?? 接著是sys_epoll_ctl(epoll_ctl對(duì)應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)），需要明確的是每次調(diào)用sys_epoll_ctl只處理一個(gè)文件描述符，這里主要描述當(dāng)op為EPOLL_CTL_ADD時(shí)的執(zhí)行過(guò)程，sys_epoll_ctl做一些安全性檢查后進(jìn)入ep_insert，ep_insert里將 ep_poll_callback做為回掉函數(shù)加入設(shè)備的等待隊(duì)列（假定這時(shí)設(shè)備尚未就緒），由于每次poll_ctl只操作一個(gè)文件描述符，因此也可以認(rèn)為這是一個(gè)O(1)操作

??? ??? ep_poll_callback函數(shù)很關(guān)鍵，它在所等待的設(shè)備就緒后被系統(tǒng)回掉，執(zhí)行兩個(gè)操作：

??? ?? 1，將就緒設(shè)備加入就緒隊(duì)列，這一步避免了像poll那樣在設(shè)備就緒后再次輪詢(xún)所有設(shè)備找就緒者，降低了時(shí)間復(fù)雜度，由O（n）到O（1）;
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??? ?? 2，喚醒虛擬的epoll文件;

??? ?? 最后是sys_epoll_wait，這里實(shí)際執(zhí)行操作的是ep_poll函數(shù)。該函數(shù)等待將進(jìn)程自身插入虛擬epoll文件的等待隊(duì)列，直到被喚醒（見(jiàn)上面ep_poll_callback函數(shù)描述），最后執(zhí)行ep_events_transfer將結(jié)果拷貝到用戶(hù)空間。由于只拷貝就緒設(shè)備信息，所以這里的拷貝是一個(gè)O(1）操作。

??? ?? 還有一個(gè)讓人關(guān)心的問(wèn)題就是epoll對(duì)EPOLLET的處理，即邊沿觸發(fā)的處理，粗略看代碼就是把一部分水平觸發(fā)模式下內(nèi)核做的工作交給用戶(hù)來(lái)處理，直覺(jué)上不會(huì)對(duì)性能有太大影響，感興趣的朋友歡迎討論。

??? ???POLL/EPOLL對(duì)比：

??? ?? 表面上poll的過(guò)程可以看作是由一次epoll_create/若干次epoll_ctl/一次epoll_wait/一次close等系統(tǒng)調(diào)用構(gòu)成，實(shí)際上epoll將poll分成若干部分實(shí)現(xiàn)的原因正是因?yàn)榉?wù)器軟件中使用poll的特點(diǎn)（比如Web服務(wù)器）：

??? ?? 1，需要同時(shí)poll大量文件描述符;

??? ?? 2，每次poll完成后就緒的文件描述符只占所有被poll的描述符的很少一部分。

??? ?? 3，前后多次poll調(diào)用對(duì)文件描述符數(shù)組（ufds）的修改只是很小;?

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