I/O Multiplexing
Select
select 允许程序同时监听多个文件描述符，直到一个或多个文件描述符变为ready状态（可读、可写、异常），最多支持同时监听 FD_SETSIZE(default 1024 on Linux) 个文件描述符。当 select 返回时，传入的三个 fd_set 将被（in-place）修改，用于标识那些ready的文件描述符，也就是说，每次调用 select 都需要重新初始化 fd_set 并拷贝至 Kernel space，当监听文件描述符数量多时，拷贝开销也是相当可观的。FD_SETSIZE 的限制是由于文件描述符在 fd_set 中以数组形式保存。
select 使用示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
int main(void) {
// initialize fd_set
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(0, &rfds); // stdin
// timeout
struct timeval tv;
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;
int nfds = 1;
int retval = select(nfds, &rfds, NULL, NULL, &tv);
if (retval == -1) {
// error
} else if (retval) {
// retval fds ready
for(int n = 0; n < nfds; n++) {
if (FD_ISSET(fds[n], &rfds)) {
// perform I/O operation
}
}
} else {
// no fd ready
}
}Poll
poll 与 select 类似，只是针对 select 文件描述符数量限制和每次都需要 reinitialize fd_set 进行了改进，不过每次调用 poll 还是需要拷贝文件描述符至内核空间。在 poll 实现中，文件描述符在以链表形式管理，所以没有了数量限制。
pollfd 则解决了 select 每次调用都需要初始化 fd_set 的问题：
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};poll 使用示例
/* poll_input.c
Licensed under GNU General Public License v2 or later.
*/
#include <poll.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int nfds = argc - 1;
int num_open_fds = nfds;
struct pollfd *pfds = calloc(nfds, sizeof(struct pollfd));
for (int j = 0; j < nfds; j++)
{
pfds[j].fd = open(argv[j + 1], O_RDONLY);
pfds[j].events = POLLIN; // set requested events to be monitored
}
while (num_open_fds > 0)
{
int ready = poll(pfds, nfds, -1); // block until an event occurs
if (ready == -1)
errExit("poll");
for (int j = 0; j < nfds; j++)
{
if (pfds[j].revents == 0)
continue;
if (pfds[j].revents & POLLIN) {
// perform I/O operation
} else {
close(pfds[j].fd);
num_open_fds--;
}
}
}
}Epoll
从 select 到 poll，已经解决了数量限制、参数重新初始化的问题，但是还有两个问题没有解决，一是需要每次都要拷贝完整文件描述符到内核空间，二是需要遍历所有文件描述符执行 I/O 操作。
epoll 通过在内核空间维护一个 epoll instance 解决这两个问题，可以理解为一个包含 interest 和 ready 两个集合的数据结构，前者表示需要监听的文件描述符，后者则记录了进入 ready 状态的文件描述符。这样用户程序就可以通过 epoll instance 修改 interest 动态调整需要监听的文件描述符了。
epoll 使用示例
#include <sys/epoll.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
int main(void)
{
int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int epollfd = epoll_create(0);
// monitor socket fd
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev)
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
while (true) {
int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
for (int n = 0; n < nfds; ++n) {
if (events[n].data.fd == listen_sock) {
// register connection to the epoll instance
int conn_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = conn_sock;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev)
} else {
// connection ready
}
}
}
}Edge-triggered & Level-triggered
这两个其实是数字电路里面的术语，可以参考Key takeaways。
1 +----------+ +----------+ +----------+
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0----------+ +----------+ +----------+ +----------Edge-triggered 监听的是竖线表示的状态变化，Level-triggered 监听的是水平线表示的状态。
举例来说，当一个文件描述符从 not read ready（0） 变为 read ready（1） 时，不论 Edge-triggered 还是 Level-triggered，都会通知可读事件；如果应用程序只读了一半数据，或者压根没读取，那该文件描述符的状态还是 read ready；下一次调用 epoll_wait 时，Edge-triggered 因为没有状态变化不会再次通知，Level-triggered 则检测到仍是可读状态，还会继续通知。
默认以 Level-triggered 方式监听文件描述符，可使用 ev.events = EPOLLIN | EPOLLET 调整为 Edge-triggered 模式。由于 Edge-triggered 不会再次通知可读文件描述符，所以需要用户程序自行维护好文件描述符的可读状态（EGAIN）。