• select 和 epoll的编程实现区别

    最近有朋友在面试的时候被问了select 和epoll效率差的原因，和一般人一样，大部分都会回答select是轮询、epoll是触发式的，所以效率高。这个答案听上去很完美，大致也说出了二者的主要区别。
    今天闲来无事，翻看了下内核代码，结合内核代码和大家分享下我的观点。

    一、连接数
    我本人也曾经在项目中用过select和epoll,对于select，感触最深的是linux下select最大数目限制(windows 下似乎没有限制)，每个进程的select最多能处理FD_SETSIZE个FD(文件句柄)，
    如果要处理超过1024个句柄，只能采用多进程了。
    常见的使用slect的多进程模型是这样的： 一个进程专门accept，成功后将fd通过unix socket传递给子进程处理，父进程可以根据子进程负载分派。曾经用过1个父进程+4个子进程 承载了超过4000个的负载。
    这种模型在我们当时的业务运行的非常好。epoll在连接数方面没有限制，当然可能需要用户调用API重现设置进程的资源限制。

    二、IO差别
    1、select的实现

    这段可以结合linux内核代码描述了，我使用的是2.6.28，其他2.6的代码应该差不多吧。
    先看看select:
    select系统调用的代码在fs/Select.c下，

    1. asmlinkage long sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
    2.             fd_set __user *exp, struct timeval __user *tvp)
    3. {
    4.     struct timespec end_time, *to = NULL;
    5.     struct timeval tv;
    6.     int ret;

    8.     if (tvp) {
    9.         if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv)))
    10.             return -EFAULT;

    12.         to = &end_time;
    13.         if (poll_select_set_timeout(to,
    14.                 tv.tv_sec + (tv.tv_usec / USEC_PER_SEC),
    15.                 (tv.tv_usec % USEC_PER_SEC) * NSEC_PER_USEC))
    16.             return -EINVAL;
    17.     }

    19.     ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);
    20.     ret = poll_select_copy_remaining(&end_time, tvp, 1, ret);

    22.     return ret;
    23. }

    前面是从用户控件拷贝各个fd_set到内核空间，接下来的具体工作在core_sys_select中，

    1. core_sys_select->do_select,真正的核心内容在do_select里：
    2. int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
    3. {
    4.     ktime_t expire, *to = NULL;
    5.     struct poll_wqueues table;
    6.     poll_table *wait;
    7.     int retval, i, timed_out = 0;
    8.     unsigned long slack = 0;

    10.     rcu_read_lock();
    11.     retval = max_select_fd(n, fds);
    12.     rcu_read_unlock();

    14.     if (retval < 0)
    15.         return retval;
    16.     n = retval;

    18.     poll_initwait(&table);
    19.     wait = &table.pt;
    20.     if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
    21.         wait = NULL;
    22.         timed_out = 1;
    23.     }

    25.     if (end_time && !timed_out)
    26.         slack = estimate_accuracy(end_time);

    28.     retval = 0;
    29.     for (;;) {
    30.         unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;

    32.         set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

    34.         inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
    35.         rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;

    37.         for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
    38.             unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;
    39.             unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;
    40.             const struct file_operations *f_op = NULL;
    41.             struct file *file = NULL;

    43.             in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
    44.             all_bits = in | out | ex;
    45.             if (all_bits == 0) {
    46.                 i += __NFDBITS;
    47.                 continue;
    48.             }

    50.             for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {
    51.                 int fput_needed;
    52.                 if (i >= n)
    53.                     break;
    54.                 if (!(bit & all_bits))
    55.                     continue;
    56.                 file = fget_light(i, &fput_needed);
    57.                 if (file) {
    58.                     f_op = file->f_op;
    59.                     mask = DEFAULT_POLLMASK;
    60.                     if (f_op && f_op->poll)
    61.                         mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);
    62.                     fput_light(file, fput_needed);
    63.                     if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
    64.                         res_in |= bit;
    65.                         retval++;
    66.                     }
    67.                     if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
    68.                         res_out |= bit;
    69.                         retval++;
    70.                     }
    71.                     if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
    72.                         res_ex |= bit;
    73.                         retval++;
    74.                     }
    75.                 }
    76.             }
    77.             if (res_in)
    78.                 *rinp = res_in;
    79.             if (res_out)
    80.                 *routp = res_out;
    81.             if (res_ex)
    82.                 *rexp = res_ex;
    83.             cond_resched();
    84.         }
    85.         wait = NULL;
    86.         if (retval || timed_out || signal_pending(current))
    87.             break;
    88.         if (table.error) {
    89.             retval = table.error;
    90.             break;
    91.         }

    93.         /*
    94.          * If this is the first loop and we have a timeout
    95.          * given, then we convert to ktime_t and set the to
    96.          * pointer to the expiry value.
    97.          */
    98.         if (end_time && !to) {
    99.             expire = timespec_to_ktime(*end_time);
    100.             to = &expire;
    101.         }

    103.         if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS))
    104.             timed_out = 1;
    105.     }
    106.     __set_current_state(TASK_RUNNING);

    108.     poll_freewait(&table);

    110.     return retval;
    111. }

    上面的代码很多，其实真正关键的代码是这一句:

    1. mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);

    这个是调用文件系统的 poll函数，不同的文件系统poll函数自然不同，由于我们这里关注的是tcp连接，而socketfs的注册在 net/Socket.c里。
    register_filesystem(&sock_fs_type); 
    socket文件系统的函数也是在net/Socket.c里：

    1. static const struct file_operations socket_file_ops = {
    2.     .owner = THIS_MODULE,
    3.     .llseek = no_llseek,
    4.     .aio_read = sock_aio_read,
    5.     .aio_write = sock_aio_write,
    6.     .poll = sock_poll,
    7.     .unlocked_ioctl = sock_ioctl,
    8. #ifdef CONFIG_COMPAT
    9.     .compat_ioctl = compat_sock_ioctl,
    10. #endif
    11.     .mmap = sock_mmap,
    12.     .open = sock_no_open, /* special open code to disallow open via /proc */
    13.     .release = sock_close,
    14.     .fasync = sock_fasync,
    15.     .sendpage = sock_sendpage,
    16.     .splice_write = generic_splice_sendpage,
    17.     .splice_read = sock_splice_read,
    18. };

    从sock_poll跟随下去，
    最后可以到 net/ipv4/tcp.c的
    unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait) 
    这个是最终的查询函数，
    也就是说select 的核心功能是调用tcp文件系统的poll函数，不停的查询，如果没有想要的数据，主动执行一次调度（防止一直占用cpu），直到有一个连接有想要的消息为止。
    从这里可以看出select的执行方式基本就是不同的调用poll,直到有需要的消息为止，如果select 处理的socket很多，这其实对整个机器的性能也是一个消耗。

    2、epoll的实现

    epoll的实现代码在 fs/EventPoll.c下，
    由于epoll涉及到几个系统调用，这里不逐个分析了，仅仅分析几个关键点，
    第一个关键点在
    static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,
                 struct file *tfile, int fd) 
    这是在我们调用sys_epoll_ctl 添加一个被管理socket的时候调用的函数，关键的几行如下：
    epq.epi = epi;
        init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);

        /*
         * Attach the item to the poll hooks and get current event bits.
         * We can safely use the file* here because its usage count has
         * been increased by the caller of this function. Note that after
         * this operation completes, the poll callback can start hitting
         * the new item.
         */
        revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt); 
    这里也是调用文件系统的poll函数，不过这次初始化了一个结构，这个结构会带有一个poll函数的callback函数：ep_ptable_queue_proc，
    在调用poll函数的时候，会执行这个callback，这个callback的功能就是将当前进程添加到 socket的等待进程上。

    1. static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead,
    2.                  poll_table *pt)
    3. {
    4.     struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
    5.     struct eppoll_entry *pwq;

    7.     if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
    8.         init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
    9.         pwq->whead = whead;
    10.         pwq->base = epi;
    11.         add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
    12.         list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
    13.         epi->nwait++;
    14.     } else {
    15.         /* We have to signal that an error occurred */
    16.         epi->nwait = -1;
    17.     }
    18. }

    注意到参数 whead 实际上是 sk->sleep，其实就是将当前进程添加到sk的等待队列里，当该socket收到数据或者其他事件触发时，会调用
    sock_def_readable 或者sock_def_write_space 通知函数来唤醒等待进程，这2个函数都是在socket创建的时候填充在sk结构里的。
    从前面的分析来看，epoll确实是比select聪明的多、轻松的多，不用再苦哈哈的去轮询了。
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