【Linux】多路转接

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux——多路转接：

• Select
• Poll
• Epoll
• Reactor反应堆模式

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一，Select

1. 接口概述

select用于监视多个文件描述符的状态变化，程序会停在 select 这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变。

参数：

• nfds：要监听的最大文件符的值 + 1
• fd_set：分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合（本质是位图，一个fd对应一个bit位），可写文件描述符的集 合及异常文件描述符的集合。
  • 这个参数是一个输入输出型参数，函数返回后，fd_set会被修改：返回本次调用监听到的文件描述符
  • 因为fd_set会被修改，所以我们一般需要一个辅助数组来保存我们需要监听的fd，然后每次select前把fd集合重置【这也是select的缺点之一】
• timeout：监听时间（是一个结构体timeval）。在指定时间内如果没有监听到，则返回。如果监听到了，会返回剩余时间
  • NULL：则表示 select（）没有 timeout，select 将一直被阻塞
  • 0：代表非阻塞监听
  • 具体的数值：监听时间具体时间

返回值：

• 成功：返回文件描述词状态已改变的个数
• 超时：没有一个fd变化，返回0
• 错误：-1，错误原因存于 errno，此时参数 readfds，writefds,exceptfds 和 timeout 的值变成不可预测。

2. fd_set位图操作

我们需要使用指定的接口来操作fd_set的位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 用来清除描述词组 set 中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组 set 中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 用来设置描述词组 set 中相关fd 的位
void FD_ZERO(fd_set *set);// 用来清除描述词组 set 的全部位

3. select的缺点

• select的fd集合是位图，支持的文件描述符数量有限
• 每次调用select，都需要重新手动设置fd集合，使用不方便
• 每次调用select，都需要把fd_set从用户态拷贝到内核态，有开销
• 每次调用select，找就绪fd的时候，需要遍历所有fd，时间复杂度：O(n)

二，poll

1. 接口介绍

poll的使用场景较少，因为老系统用select，而poll又不如epoll好用

pollfd 结构：

struct pollfd {int fd; // 要监听的文件描述符/* file descriptor */short events; /* requested events */short revents; /* returned events */
};

poll接口把用户传入的需要监听的事件events，和内核返回给用户的监听到的事件revents做了区分

参数：

• fds：一个pollfd数组
• nfds：fds 数组的长度
• timeout：单位毫秒，超时时间（和select一样，不够更简单了）

2. poll优缺点

相比于select的优点：

• 突破了文件描述符数量的限制
• 文件描述符集合不会被重置

任然存在的缺点：

• 每次调用 poll 时，仍需将整个pollfd数组从用户态拷贝到内核态
• 查找就绪文件描述符的时间复杂度仍为 O (n)，仍需遍历整个pollfd数组检查revents字段才能找到就绪的文件描述符

三，epoll

1. epoll模型

epoll模型包含三个重要组成部分：红黑树（用来存储要监听的fd，类似select的辅助数组），就绪队列（用来存储事件就绪的fd），回调方法（每个fd都注册了回调方法）

2. epoll接口介绍

epoll_create

• size：在老版本中，代表文件描述符的数量，新版本已经不用管了。【数量不限】
• 返回值：返回一个epfd（文件描述符）
• 注意：用完以后，需要close()关闭这个epfd

epoll模型存储在epfd中，被一个private_data指针指向。

epoll_ctl

• 用于管理要监听的fd，常见的op（管理操作）有：
  • EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中
  • EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的监听事件
  • EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除一个 fd
• 不同于select()在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，epoll要先注册要监听的事件类型。

struct epoll_event结构如下:

events 可以是以下几个宏的集合：

• EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端 SOCKET 正常关闭);
• EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
• EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外
  数据到来);
• EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
• EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
• EPOLLET : 将 EPOLL 设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的.
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继续监听这个 socket 的话, 需要再次把这个 socket 加入到 EPOLL 队列里

epoll_dataOS不做修改，用户可以用来自行保存一些自定义数据。

epoll_wait

• 作用：epoll_wait 会等待内核就绪队列中有事件发生（即fd就绪），然后将就绪的事件（包含 fd 和事件类型）从内核态传递到用户态的 events 数组中。这个过程通过内存映射（mmap）优化，减少了传统拷贝的开销。
• maxevents：events的大小，不能超过用户态 events 数组的实际大小
• 参数 timeout 是超时时间 (毫秒，0 会立即返回，-1 是永久阻塞).
• 返回值：如果函数调用成功，返回对应 I/O 上已准备好的文件描述符数目，如返回 0 表示已超时, 返回小于 0 表示函数失败

工作流程

1. 通过epoll_create创建epoll模型实例
2. 通过epoll_ctl来管理要监听的fd，已经要等待的事件（所有事件被维护在一个红黑树中），每个fd会注册相应的回调方法。
3. 当事件发生的时候，会触发回调方法，把就绪的事件加入到就绪队列中
4. 当调用 epoll_wait 时，检查就绪队列中是否有已经就绪的事件

3. LT 和 ET模式

• LT模式（epoll的默认行为）：当 fd 处于就绪状态（如缓冲区有未读数据）时，每次调用epoll_wait都会返回该事件，直到数据被完全读取（缓冲区为空）
  • read的阻塞行为：没数据读 / 读不够。如：内核缓冲区只有512，但是read要读1024个，所以会：先拷贝 512 字节到用户态，然后阻塞，等待更多数据凑够 1024 字节
  • 支持阻塞和非阻塞读，因为就算一次读到的数据不满足read的要求也不会阻塞（因为下一次epoll_wait任然会通知）
• ET模式：仅在 fd 状态从 “未就绪” 变为 “就绪” 时触发一次事件（如数据首次到达），后续即使缓冲区仍有未读数据，也不会再次通知，直到有新数据写入才会再次触发。
  • 只支持非阻塞读，因为ET模式只通知一次，如果当前数据不够读，则会阻塞，影响进程后续。
  • 所以要求用while在一次通知时循环读完，直到返回EAGAIN或EWOULDBLOCK（表示当前无更多数据），确保不会遗漏数据。

ET对比LT的优势：

• ET通知更高效，epoll_wait的次数更少，有效通知次数更多
• ET要求非阻塞 + while循环读，规范程序员写的代码。
• 并且这种一次性读完的要求，可以尽快读取所有数据，腾出接受缓冲区空间，给对方提供一个更大的win窗口，加大对方滑动窗口的大小，提高网络发送的报文的并发度

4. 简单示例

epoll服务器（LT模式）→ 我的 Github

5. epoll的写事件

写就绪介绍：

• epoll读默认是不就绪的，写默认是就绪的（因为初始写入缓冲区为空）。
• 读事件检测可以常设，但是写事件要按需设置
  • 正常情况下，若没有数据要写，无需将 “写事件” 添加到 epoll 监听中（因为初始就绪状态会导致 epoll 频繁唤醒，浪费资源）。
  • 只有当主动写数据时发现写缓冲区已满（write() 返回 -1 且 errno=EAGAIN/EWOULDBLOCK），才需要将 “写事件” 添加到 epoll 中，等待内核缓冲区有空闲空间后再重试写入。
  • 一旦数据写完（或缓冲区有足够空间写完剩余数据），必须立即删除 epoll 中的写事件监听，避免后续缓冲区空闲时 epoll 持续触发就绪通知（“写风暴”）。

处理写事件的标准流程（以非阻塞套接字为例）：

1. 初始不监听写事件：仅监听读事件（EPOLLIN），有数据要写时直接调用 write()。
2. 写操作判断：
   • 若 write() 返回值 > 0：表示成功写入部分 / 全部数据，若数据已写完则结束，否则继续写。
   • 若 write() 返回 -1，且 errno=EAGAIN/EWOULDBLOCK：表示缓冲区已满，立即将 EPOLLOUT 事件添加到 epoll 监听中，等待后续就绪通知。
3. 写事件触发后的处理：
   • 当 epoll 通知 EPOLLOUT 就绪时，再次调用 write() 写入剩余数据。
   • 若数据全部写完：立即从 epoll 中删除 EPOLLOUT 事件（避免后续频繁触发）。
   • 若仍返回 EAGAIN：说明缓冲区仍未足够，保留 EPOLLOUT 监听，等待下一次就绪。
4. 错误处理：若 write() 返回其他错误（如 EPIPE、ECONNRESET），则关闭套接字并清理 epoll 监听。

当非阻塞IO的时候，遇到 error == EINTR 的错误，这是遇到了中断导致调用无法完成，这时候无序管它，continue即可

四，Reactor反应堆模式

代码 → 我的Github

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