本节书摘来自异步社区《Linux系统编程（第2版）》一书中的第2章，第2.10节，作者：【美】Robert Love著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
2.10 I/O多路复用
应用通常需要在多个文件描述符上阻塞：在键盘输入（stdin）、进程间通信以及很多文件之间协调I/O。基于事件驱动的图形用户界面（GUI）应用可能会和成百上千个事件的主循环竞争[5]。
如果不使用线程，而是独立处理每个文件描述符，单个进程无法同时在多个文件描述符上阻塞。只要这些描述符已经有数据可读写，也可以采用多个文件描述符的方式。但是，要是有个文件描述符数据还没有准备好——比如发送了read()调用，但是还没有任何数据——进程会阻塞，而且无法对其他的文件描述符提供服务。该进程可能只是阻塞几秒钟，导致应用效率变低，影响用户体验。然而，如果该文件描述符一直没有数据，进程就会一直阻塞。因为文件描述符的I/O总是关联的（比如管道），很可能一个文件描述符依赖另一个文件描述符，在后者可用前，前者一直处于不可用状态。尤其是对于网络应用而言，可能同时会打开多个socket，从而引发很多问题。
试想一下如下场景：当标准输入设备（stdin）挂起，没有数据输出，应用在和进程间通信（IPC）相关的文件描述符上阻塞。只有当阻塞的IPC文件描述符返回数据后，进程才知道键盘输入挂起——但是如果阻塞的操作一直没有返回，又会发生什么呢？
如前所述，非阻塞I/O 是这种问题的一个解决方案。使用非阻塞I/O，应用可以发送I/O请求，该请求返回特定错误，而不是阻塞。但是，该方案效率不高，主要有两个原因：首先，进程需要连续随机发送I/O操作，等待某个打开的文件描述符可以执行I/O操作。这种设计很糟糕。其次，如果进程睡眠则会更高效，睡眠可以释放CPU资源，使得CPU可以处理其他任务，直到一个或多个文件描述符可以执行I/O时再唤醒进程。
下面我们一起来探讨I/O多路复用。
I/O多路复用支持应用同时在多个文件描述符上阻塞，并在其中某个可以读写时收到通知。因此，I/O多路复用成为应用的关键所在，在设计上遵循以下原则。
1．I/O多路复用：当任何一个文件描述符I/O就绪时进行通知。
2．都不可用？在有可用的文件描述符之前一直处于睡眠状态。
3．唤醒：哪个文件描述符可用了？
4．处理所有I/O就绪的文件描述符，没有阻塞。
5．返回第1步，重新开始。
Linux提供了三种I/O多路复用方案：select、poll和epoll。本章先探讨select和poll，epoll是Linux特有的高级解决方案，将在第4章详细说明。
2.10.1 select()
select()系统调用提供了一种实现同步I/O多路复用的机制：
在给定的文件描述符I/O就绪之前并且还没有超出指定的时间限制，select()调用就会阻塞。
监视的文件描述符可以分为3类，分别等待不同的事件。对于readfds集中的文件描述符，监视是否有数据可读（即某个读操作是否可以无阻塞完成）；对于writefds集中的文件描述符，监视是否有某个写操作可以无阻塞完成；对于exceptfds中的文件描述符，监视是否发生异常，或者出现带外（out-of-band）数据（这些场景只适用于socket）。指定的集合可能是NULL，在这种情况下，select()不会监视该事件。
成功返回时，每个集合都修改成只包含相应类型的I/O就绪的文件描述符。举个例子，假定readfds集中有两个文件描述符7和9。当调用返回时，如果描述符7还在集合中，它在I/O读取时不会阻塞。如果描述符9不在集合中，它在读取时很可能会发生阻塞。（这里说的是“很可能”是因为在调用完成后，数据可能已经就绪了。在这种场景下，下一次调用select()就会返回描述符可用。）[6]
第一个参数n，其值等于所有集合中文件描述符的最大值加1。因此，select()调用负责检查哪个文件描述符值最大，将该最大值加1后传给第一个参数。
参数timeout是指向timeval结构体的指针，定义如下：
如果该参数不是NULL，在tv_sec秒tv_usec微秒后。select()调用会返回，即使没有一个文件描述符处于I/O就绪状态。返回时，在不同的UNIX系统中，该结构体是未定义的，因此每次调用必须（和文件描述符集一起）重新初始化。实际上，当前Linux版本会自动修改该参数，把值修改成剩余的时间。因此，如果超时设置是5秒，在文件描述符可用之前已逝去了3秒，那么在调用返回时，tv.tv_sec的值就是2。
如果超时值都是设置成0，调用会立即返回，调用时报告所有事件都挂起，而不会等待任何后续事件。
不是直接操作文件描述符集，而是通过辅助宏来管理。通过这种方式，UNIX系统可以按照所希望的方式来实现。不过，大多数系统把集合实现成位数组。
FD_ZERO从指定集合中删除所有的文件描述符。每次调用select()之前，都应该调用该宏。
FD_SET向指定集中添加一个文件描述符，而FD_CLR则从指定集中删除一个文件描述符。
设计良好的代码应该都不需要使用FD_CLR，极少使用该宏。
FD_ISSET检查一个文件描述符是否在给定集合中。如果在，则返回非0值，否则返回0。当select()调用返回时，会通过FD_ISSET来检查文件描述符是否就绪：
由于文件描述符集是静态建立的，所以文件描述符数存在上限值，而且存在最大文件描述符值，这两个值都是由FD_SETSIZE设置。在Linux，该值是1024。我们将在本章稍后一起来看各种不同限制。
返回值和错误码
select()调用成功时，返回三个集合中I/O就绪的文件描述符总数。如果给出了超时设置，返回值可能是0。出错时，返回-1，并把errno值设置成如下值之一：
EBADF
某个集合中存在非法文件描述符。
EINTR
等待时捕获了一个信号，可以重新发起调用。
EINVAL
参数n是负数，或者设置的超时时间值非法。
ENOMEM
没有足够的内存来完成该请求。
select()示例
我们来看看下面的示例代码，虽然简单但对select()用法的说明却非常实用。在这个例子中，会阻塞等待stdin的输入，超时设置是5秒。由于只监视单个文件描述符，该示例不算I/O多路复用，但它很清晰地说明了如何使用系统调用：
用select()实现可移植的sleep功能
在各个UNIX系统中，相比微秒级的sleep功能，对select()的实现更普遍，因此select()调用常常被作为可移植的sleep实现机制：把所有三个集都设置NULL，超时值设置为非NULL。如下：
Linux提供了高精度的sleep机制。在第11章中，我们将详细说明它。
pselect()
select()系统调用很流行，它最初是在4.2BSD中引入的，但是POSIX标准在POSIX 1003.1g-2000和后来的POSIX 1003.1-2001中定义了自己的pselect()方法：
pselect()和select()存在三点区别：
pselect()的timeout参数使用了timespec结构体，而不是timeval结构体。timespec结构体使用秒和纳秒，而不是秒和毫秒，从理论上讲更精确些。但实际上，这两个结构体在毫秒精度上已经不可靠了。
pselect()调用不会修改timeout参数。因此，在后续调用中，不需要重新初始化该参数。
select()系统调用没有sigmask参数。当这个参数设置为NULL时，pselect()的行为和select()相同。
timespec结构体定义如下：
把pselect()添加到UNIX工具箱的主要原因是为了增加sigmask参数，该参数是为了解决文件描述符和信号之间等待而出现竞争条件（在第10章将深入讨论信号）。假设信号处理程序设置了全局标志位（大部分都如此），进程每次调用select()之前会检查该标志位。现在，假定在检查标志位和调用之间收到信号，应用可能会一直阻塞，永远都不会响应该信号。pselect()提供了一组可阻塞信号，应用在调用时可以设置这些信号来解决这个问题。阻塞的信号要等到解除阻塞才会处理。一旦pselect()返回，内核就会恢复老的信号掩码。
在Linux内核2.6.16之前，pselect()还不是系统调用，而是由glibc提供的对select()调用的简单封装。该封装对出现竞争的风险最小化，但是并没有完全消除竞争。当真正引入了新的系统调用pselect()之后，才彻底解决了竞争问题。
虽然和select()相比，pselect()有一定的改进，但大多数应用还是使用select()，有的是出于习惯，也有的是为了更好的可移植性。
2.10.2 poll()
poll()系统调用是System V的I/O多路复用解决方案。它解决了一些select()的不足，不过select()还是被频繁使用（还是出于习惯或可移植性的考虑）：
select()使用了基于文件描述符的三位掩码的解决方案，其效率不高；和它不同，poll()使用了由nfds个pollfd结构体构成的数组，fds指针指向该数组。pollfd结构体定义如下：
每个pollfd结构体指定一个被监视的文件描述符。可以给poll()传递多个pollfd结构体，使它能够监视多个文件描述符。每个结构体的events变量是要监视的文件描述符的事件的位掩码。用户可以设置该变量。revents变量是该文件描述符的结果事件的位掩码。内核在返回时会设置revents变量。events变量中请求的所有事件都可能在revents变量中返回。以下是合法的events值：
POLLIN
有数据可读。
POLLRDNORM
有普通数据可读。
POLLRDBAND
有优先数据可读。
POLLPRI
有高优先级数据可读。
POLLOUT
写操作不会阻塞。
POLLWRNORM
写普通数据不会阻塞。
POLLBAND
写优先数据不会阻塞。
POLLMSG
有SIGPOLL消息可用。
此外，revents变量可能会返回如下事件：
POLLER
给定的文件描述符出现错误。
POLLHUP
给定的文件描述符有挂起事件。
POLLNVAL
给定的文件描述符非法。
对于events变量，这些事件没有意义，events参数不要传递这些变量，它们会在revents变量中返回。poll()和select()不同，不需要显式请求异常报告。
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，而POLLOUT | POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM | POLLRDBAND，而POLLOUT等价于POLLWRNORM。
举个例子，要监视某个文件描述符是否可读写，需要把events设置成POLLIN | POLLOUT。返回时，会检查revents中是否有相应的标志位。如果设置了POLLIN，文件描述符可非阻塞读；如果设置了POLLOUT，文件描述符可非阻塞写。标志位并不是相互排斥的：可以同时设置，表示可以在该文件描述符上读写，而且都不会阻塞。
timeout参数指定等待的时间长度，单位是毫秒，不论是否有I/O就绪，poll()调用都会返回。如果timeout值为负数，表示永远等待；timeout为0表示poll()调用立即返回，并给出所有I/O未就绪的文件描述符列表，不会等待更多事件。在这种情况下，poll()调用如同其名，轮询一次后立即返回。
返回值和错误码
poll()调用成功时，返回revents变量不为0的所有文件描述符个数；如果没有任何事件发生且未超时，返回0。失败时，返回-1，并相应设置errno值如下：
EBADF
一个或多个结构体中存在非法文件描述符。
EFAULT
fds指针指向的地址超出了进程地址空间。
EINTR
在请求事件发生前收到了一个信号，可以重新发起调用。
EINVAL
nfds参数超出了RLIMIT_NOFILE值。
ENOMEM
可用内存不足，无法完成请求。
poll()示例
我们一起来看一下poll()的示例程序，它同时检测stdin读和stdout写是否会发生阻塞：
运行后，生成结果如下（和期望一致）：
再次运行，这次把一个文件重定向到标准输入，可以看到两个事件：
如果在实际应用中使用poll()，不需要在每次调用时都重新构建pollfd结构体。该结构体可能会被重复传递多次，内核会在必要时把revents清空。
ppoll()
类似于pselect()和select()，Linux也为poll()提供了ppoll()。然而，和pselect()不同，ppoll()是Linux特有的调用：
类似于pselect()，timeout参数指定的超时时间是秒和纳秒，sigmask参数提供了一组等待处理的信号。
2.10.3 poll()和select()的区别
虽然poll()和select()完成相同的工作，但poll()调用在很多方面仍然优于select()调用：
- poll()不需要用户计算最大文件描述符值加1作为参数传递给它。
- poll()对于值很大的文件描述符，效率更高。试想一下，要通过select()监视一个值为900的文件描述符，内核需要检查每个集合中的每个位，一直检查900个位。
- select()的文件描述符集合是静态的，需要对大小设置进行权衡：如果值很小，会限制select()可监视的最大文件描述符值；如果值很大，效率会很低。当值很大时，大的位掩码操作效率不高，尤其是当无法确定集合是否稀疏集合。[7]对于poll()，可以准确创建大小合适的数组。如果只需要监视一项，则仅传递一个结构体。
- 对于select()调用，返回时会重新创建文件描述符集，因此每次调用都必须重新初始化。poll()系统调用会把输入（events变量）和输出（revents变量）分离开，支持无需改变数组就可以重新使用。
- select()调用的timeout参数在返回时是未定义的。代码要支持可移植，需要重新对它初始化。而对于pselect()，不存在这些问题。
不过，select()系统调用也有些优点：
- select()可移植性更好，因为有些UNIX系统不支持poll()。
- select()提供了更高的超时精度：select()支持微秒级，poll()支持毫秒级。ppoll()和pselect()理论上都提供了纳秒级的超时精度，但是实际上，这两个调用的毫秒级精度都不可靠。
