select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select

监视多个文件句柄的状态变化，程序会阻塞在select处等待，直到有文件描述符就绪或超时。

int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select 函数监视的文件描述符分3类，writefds(写状态), readfds(读状态), exceptfds(异常状态)。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据 可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可）。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 6666

void doSocketSelect()
{
    
    int ret = 0;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_sockfd < 0) {
        perror("Fail to create listen socket\n");
        goto failed;
    } else {
        printf("server socket created, fd: %d\n", server_sockfd);
    }

    ret = bind(server_sockfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret != 0) {
        perror("Fail to bind socket\n");
        goto failed;
    }
    
    ret = listen(server_sockfd, 128);

    if (ret != 0) {
        perror("Fail to listen socket\n");
        goto failed;
    }

    printf("开启监听:%s:%d ....\n", SERVER_IP, SERVER_PORT);

    fd_set read_fds; // 读文件操作符

    while(1) {
        printf("服务器等待连接\n");
        // 清理句柄集合
        FD_ZERO(&read_fds);
        // 将监听socket放入集合
        FD_SET(server_sockfd, &read_fds);

        ret = select(FD_SETSIZE, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
        printf("select ret:%d\n", ret);

        if (ret < 0) {
            perror("Fail to select!\n");
        } else if (ret == 0) {
            perror("Select timeout!!!\n");
            continue;
        } else {
            if (FD_ISSET(server_sockfd, &read_fds)) {
                int client_len = sizeof(client_addr);
                int client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *) &client_addr, (socklen_t *) &client_len);
                if (client_sockfd > 0) {
                    printf("有新客户端连接 fd: %d, %s:%d\n",client_sockfd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));
                    char w[] = "welcome!\n";
                    write(client_sockfd, w, sizeof(w));
                    // 关闭客户端连接
                    // close(client_sockfd);
                } else {
                    printf("accept error");
                }
            } else {
                
            }
        }

    }

    failed:
    close(server_sockfd);

}

缺陷：

• 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024)；
• 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
• select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；

以select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

poll

与select轮询所有待监听的描述符机制类似，但poll使用pollfd结构表示要监听的描述符，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他select的缺点依然存在

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

pollfd结构：

struct pollfd {
    int fd; /* file descriptor */
    short events; /* requested events to watch */
    short revents; /* returned events witnessed */
};

pollfd结构包括了events(要监听的事件)和revents(实际发生的事件)。而且也需要在函数返回后遍历pollfd来获取就绪的描述符。

epoll

epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

epoll在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，通过三个函数epoll_create、epoll_ctl, epoll_wait实现调度：

int epoll_create(int size)；
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

调用过程如下：

• 调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源
• 调用epoll_ctl向epoll对象中添加连接的套接字
• 调用epoll_wait收集发生的事件的连接

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关，eventpoll结构体如下所示：

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback，它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

如此一来，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制所有连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。