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[🎉 面试进阶指南已上线](https://xiaozhuanlan.com/CyC2018)
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<!-- GFM-TOC -->
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* [一、I/O 模型](#一io-模型)
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* [阻塞式 I/O](#阻塞式-io)
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* [非阻塞式 I/O](#非阻塞式-io)
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* [I/O 复用](#io-复用)
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* [信号驱动 I/O](#信号驱动-io)
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* [异步 I/O](#异步-io)
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* [五大 I/O 模型比较](#五大-io-模型比较)
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* [二、I/O 复用](#二io-复用)
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* [select](#select)
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* [poll](#poll)
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* [比较](#比较)
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* [epoll](#epoll)
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* [工作模式](#工作模式)
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* [应用场景](#应用场景)
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* [参考资料](#参考资料)
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<!-- GFM-TOC -->
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# 一、I/O 模型
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一个输入操作通常包括两个阶段：
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- 等待数据准备好
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- 从内核向进程复制数据
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对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
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Unix 有五种 I/O 模型：
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- 阻塞式 I/O
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- 非阻塞式 I/O
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- I/O 复用（select 和 poll）
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- 信号驱动式 I/O（SIGIO）
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- 异步 I/O（AIO）
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## 阻塞式 I/O
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应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。
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应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，所以不消耗 CPU 时间，这种模型的 CPU 利用率效率会比较高。
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下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。
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```c
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ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
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```
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<div align="center"> <img src="pics/1492928416812_4.png"/> </div><br>
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## 非阻塞式 I/O
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应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。
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由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型的 CPU 利用率是比较低的。
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<div align="center"> <img src="pics/1492929000361_5.png"/> </div><br>
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## I/O 复用
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使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读。这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回，之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。
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它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。
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如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。
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<div align="center"> <img src="pics/1492929444818_6.png"/> </div><br>
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## 信号驱动 I/O
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应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
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相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。
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<div align="center"> <img src="pics/1492929553651_7.png"/> </div><br>
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## 异步 I/O
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应用进程执行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程可以继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。
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异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。
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<div align="center"> <img src="pics/1492930243286_8.png"/> </div><br>
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## 五大 I/O 模型比较
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- 同步 I/O：将数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区的阶段，应用进程会阻塞。
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- 异步 I/O：不会阻塞。
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阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，它们的主要区别在第一个阶段。
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非阻塞式 I/O 、信号驱动 I/O 和异步 I/O 在第一阶段不会阻塞。
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<div align="center"> <img src="pics/1492928105791_3.png"/> </div><br>
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# 二、I/O 复用
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select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。
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## select
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```c
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int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
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```
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有三种类型的描述符类型：readset、writeset、exceptset，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。fd_set 使用数组实现，数组大小使用 FD_SETSIZE 定义。
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timeout 为超时参数，调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout。
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成功调用返回结果大于 0，出错返回结果为 -1，超时返回结果为 0。
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```c
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fd_set fd_in, fd_out;
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struct timeval tv;
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// Reset the sets
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FD_ZERO( &fd_in );
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FD_ZERO( &fd_out );
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// Monitor sock1 for input events
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FD_SET( sock1, &fd_in );
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// Monitor sock2 for output events
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FD_SET( sock2, &fd_out );
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// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
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int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;
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// Wait up to 10 seconds
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tv.tv_sec = 10;
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tv.tv_usec = 0;
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// Call the select
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int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );
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// Check if select actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
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// input event on sock1
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if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
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// output event on sock2
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}
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```
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## poll
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```c
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int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
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```
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pollfd 使用链表实现。
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```c
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// The structure for two events
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struct pollfd fds[2];
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// Monitor sock1 for input
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fds[0].fd = sock1;
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fds[0].events = POLLIN;
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// Monitor sock2 for output
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fds[1].fd = sock2;
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fds[1].events = POLLOUT;
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// Wait 10 seconds
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int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
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// Check if poll actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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// If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
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if ( fds[0].revents & POLLIN )
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fds[0].revents = 0;
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// input event on sock1
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if ( fds[1].revents & POLLOUT )
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fds[1].revents = 0;
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// output event on sock2
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}
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```
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## 比较
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### 1. 功能
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select 和 poll 的功能基本相同，不过在一些实现细节上有所不同。
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- select 会修改描述符，而 poll 不会；
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- select 的描述符类型使用数组实现，FD_SETSIZE 大小默认为 1024，因此默认只能监听 1024 个描述符。如果要监听更多描述符的话，需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译；而 poll 的描述符类型使用链表实现，没有描述符数量的限制；
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- poll 提供了更多的事件类型，并且对描述符的重复利用上比 select 高。
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- 如果一个线程对某个描述符调用了 select 或者 poll，另一个线程关闭了该描述符，会导致调用结果不确定。
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### 2. 速度
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select 和 poll 速度都比较慢。
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- select 和 poll 每次调用都需要将全部描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。
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- select 和 poll 的返回结果中没有声明哪些描述符已经准备好，所以如果返回值大于 0 时，应用进程都需要使用轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符。
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### 3. 可移植性
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几乎所有的系统都支持 select，但是只有比较新的系统支持 poll。
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## epoll
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```c
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int epoll_create(int size);
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int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
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int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
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```
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epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。
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从上面的描述可以看出，epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次，并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。
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epoll 仅适用于 Linux OS。
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epoll 比 select 和 poll 更加灵活而且没有描述符数量限制。
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epoll 对多线程编程更有友好，一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 select 和 poll 的不确定情况。
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```c
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// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets.
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// The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here
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int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE );
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if ( pollingfd < 0 )
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// report error
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// Initialize the epoll structure in case more members are added in future
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struct epoll_event ev = { 0 };
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// Associate the connection class instance with the event. You can associate anything
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// you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1
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ev.data.ptr = pConnection1;
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// Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event
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ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
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// Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is
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// waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added
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if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 )
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// report error
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// Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen)
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struct epoll_event pevents[ 20 ];
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// Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array
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int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 );
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// Check if epoll actually succeed
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if ( ret == -1 )
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// report error and abort
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else if ( ret == 0 )
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// timeout; no event detected
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else
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{
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// Check if any events detected
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for ( int i = 0; i < ret; i++ )
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{
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if ( pevents[i].events & EPOLLIN )
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{
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// Get back our connection pointer
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Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr;
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c->handleReadEvent();
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}
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}
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}
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```
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## 工作模式
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epoll 的描述符事件有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。
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### 1. LT 模式
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当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。
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### 2. ET 模式
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和 LT 模式不同的是，通知之后进程必须立即处理事件，下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。
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很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
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## 应用场景
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很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select 和 poll 都已经过时了，其实它们都有各自的使用场景。
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### 1. select 应用场景
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select 的 timeout 参数精度为 1ns，而 poll 和 epoll 为 1ms，因此 select 更加适用于实时性要求比较高的场景，比如核反应堆的控制。
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select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。
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### 2. poll 应用场景
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poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。
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### 3. epoll 应用场景
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只需要运行在 Linux 平台上，有大量的描述符需要同时轮询，并且这些连接最好是长连接。
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需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。
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需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的，也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且 epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。
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# 参考资料
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- Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.
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- [Boost application performance using asynchronous I/O](https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/)
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- [Synchronous and Asynchronous I/O](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365683(v=vs.85).aspx)
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- [Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解](https://segmentfault.com/a/1190000003063859)
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- [poll vs select vs event-based](https://daniel.haxx.se/docs/poll-vs-select.html)
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||
- [select / poll / epoll: practical difference for system architects](http://www.ulduzsoft.com/2014/01/select-poll-epoll-practical-difference-for-system-architects/)
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||
- [Browse the source code of userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/ online](https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/)
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