驱动开发,IO多路复用(select,poll,epoll三种实现方式的比较)

1.IO多路复用介绍

  • 在使用单进程或单线程情况下,同时处理多个输入输出请求,需要用到IO多路复用;
  • IO多路复用有select/poll/epoll三种实现方式;
  • 由于不需要创建新的进程和线程,减少了系统资源的开销,减少了上下文切换的次数;
    • 上下文切换:从A进程切换到B进程,A进程的资源要完全替换成B进程的资源,是一个耗时的操作;
  • 如果进程同时监听的多个硬件数据都没有准备好,进程切换进入休眠状态,当一个或者多个硬件数据准备就绪后,休眠的进程被唤醒,读取准备好的硬件数据。

2.相似的select/epoll方式介绍

框架图:

原理:(fd代表文件描述符)

应用层:将要监听的fd添加到可集合中,判断事件的发生,发生的事件保留到集合中,没发生的被清除;

VFS层(虚拟文件系统):(自动执行)

  1. 将用户空间的fd拷贝到内核空间,用户空间的fd被清空;
  2. 通过fd回调每个fd对应的操作方法;
  3. 判断操作方法的返回值,如果全为0,硬件数据都没准备好,进程进入休眠态;
  4. 收到事件唤醒提示,根据集合中的每一个fd回调poll方法,找出发生事件的fd;
  5. 将发生事件的fd重新拷贝回用户空间事件集合;

**驱动层:**向上提交等待队列头,判断condition的值,根据事件是否发生给一个合适的返回值;

硬件中断层:更改condition值,唤醒进程;

select和poll:

  • 都需要把监控的文件描述符集合都在用户空间和内核空间来回拷贝,消耗资源大;
  • 当有事件发生,都需要遍历文件描述符集合确认哪一个事件发生;
  • select方式能监听的文件描述符有限(1024个),poll使用pollfd结构解决了此问题;

3.epoll方式介绍

被称为当前时代最好用的io多路复用方式,epoll最大的好处在是监听的fd数目的增长,不会影响执行效率;

核心操作:一棵树(红黑树)、一张表(内核链表)以及三个接口(epoll_create/epoll_ctl/epoll_wait);

  • epoll_create:创建一个epoll句柄(红黑树根节点);
  • epoll_ctl:实现对于epoll的控制(添加/修改/删除事件);
  • epoll_wait:阻塞等待准备好的文件描述符;

框架图 :

原理:

epoll要把检测的事件fd挂载到内核空间红黑树上,遍历红黑树,调用每个fd对应的操作方法,找到发生事件的fd,如果没有发生事件的fd,进程休眠,如果事件发生,将发生事件的fd拷贝一份放到内核链表,每个节点对应一个fd,最后把链表的节点信息传递到用户空间的数组中,用户空间无需判断事件的发生,只需要判断事件类型(读写类型等)。

应用层:

  • 创建句柄(红黑树);
  • 打开设备文件;
  • 将fd添加到红黑树上;
  • 监听事件是否发生;
  • 循环遍历数组,做事件的处理(判断事件类型进行读写);

VFS层(虚拟文件系统):(自动执行)

  1. 通过fd回调每个fd对应的操作方法;
  2. 判断操作方法的返回值,如果全为0,硬件数据都没准备好,进程进入休眠态;
  3. 收到事件唤醒提示,根据集合中的每一个fd回调poll方法,找出发生事件的fd;
  4. 将发生事件的fd拷贝到内核链表中;

**驱动层:**向上提交等待队列头,判断condition的值,根据事件是否发生给一个合适的返回值;

硬件中断层:更改condition值,唤醒进程;

4.select/poll,epoll对比总结

相同点:

select,poll,epoll都是IO多路复用方式,本质上都是同步IO(读写就绪后自己负责读写);

不同点:
  • select/poll每次调用都要把fd集合从用户空间拷贝到内核空间,最后在从内核空间拷贝到用户空间;epoll每次调用,任意个发生事件fd往内核队列挂一次,链表数据从内核空间拷贝到用户空间一次);
  • select最大监测事件有限(1024个),poll/epoll不受限制;
  • 判断事件发生:select/poll需要不断轮询监测集合fd,epoll直接检查内核链表即可;
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