09 | Redis事件驱动框架（上）：何时使用select、poll、epoll？

在深入探讨Redis的事件驱动框架之前，了解底层I/O多路复用机制的选择——特别是select、poll、epoll之间的差异与适用场景——是至关重要的。Redis作为一个高性能的键值存储系统，其高效运作离不开对I/O操作的精心优化。本章将详细解析这三种I/O多路复用技术的原理、优缺点，以及Redis为何在不同场景下会选择不同的机制。

一、引言

在网络编程中，服务器需要同时处理多个客户端的连接请求和数据传输，这种能力通常通过I/O多路复用技术实现。I/O多路复用允许单个线程或进程同时监视多个文件描述符（File Descriptor, FD），以检测是否有I/O事件发生（如可读、可写或错误），从而有效地管理多个网络连接。

二、select机制

2.1 原理

select是最早出现的I/O多路复用技术之一，其基本原理是：进程通过调用select函数，可以同时监视多个文件描述符的状态变化。select函数会阻塞进程，直到有一个或多个文件描述符就绪（即达到可读、可写或异常条件），或者超时发生。

select函数的原型如下：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

其中，nfds是文件描述符集合中最大文件描述符的值加1，readfds、writefds、exceptfds分别用于指示需要检查的读、写、异常条件的文件描述符集合，timeout用于设置超时时间。

2.2 优缺点

优点：

• 跨平台性好，几乎所有支持POSIX标准的操作系统都支持select。
• 实现简单，易于理解和使用。

缺点：

• 性能瓶颈：随着监视的文件描述符数量增加，select的效率会显著下降。因为select采用轮询的方式检查所有文件描述符，时间复杂度为O(n)。
• 文件描述符限制：单个select调用能监视的文件描述符数量有限制，通常为1024个（可通过修改FD_SETSIZE调整，但影响全局）。
• 数据拷贝开销：每次调用select时，都需要将文件描述符集合从用户空间拷贝到内核空间，返回时再从内核空间拷贝回用户空间，增加了不必要的内存拷贝开销。

三、poll机制

3.1 原理

poll是select的一个改进版本，它解决了select的一些限制，特别是文件描述符数量的限制。poll使用pollfd结构数组代替select中的文件描述符集合，从而避免了select在文件描述符数量上的限制。

poll函数的原型如下：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

其中，fds是一个指向pollfd结构数组的指针，nfds是数组中元素的数量，timeout是等待的超时时间（毫秒）。

3.2 优缺点

优点：

• 突破了select的文件描述符数量限制，理论上可以监视的文件描述符数量仅受系统内存限制。
• 提供了更多的灵活性，比如可以监视文件描述符的精确事件类型（如边缘触发或水平触发）。

缺点：

• 与select一样，poll也采用轮询方式检查文件描述符，时间复杂度为O(n)，随着监视的文件描述符数量增加，性能会下降。
• 数据拷贝开销仍然存在，每次调用都需要在用户空间和内核空间之间拷贝数据。

四、epoll机制

4.1 原理

epoll是Linux特有的一种I/O事件通知机制，它显著提高了大量并发连接时的I/O处理效率。与select和poll不同，epoll使用基于事件驱动的方式来工作，它只会在有事件发生时通知用户程序，避免了无用的轮询操作。

epoll提供了三种操作模式：EPOLL_CTL_ADD（添加新的文件描述符到epoll实例中）、EPOLL_CTL_DEL（从epoll实例中删除文件描述符）、EPOLL_CTL_MOD（修改文件描述符上的事件）。

epoll_wait函数用于等待一组文件描述符上的事件：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

其中，epfd是epoll实例的文件描述符，events用于接收触发事件的epoll_event结构数组，maxevents是数组的最大长度，timeout是等待的超时时间（毫秒）。

4.2 优缺点

优点：

• 高效性：epoll采用基于事件通知的方式，只在有事件发生时通知用户程序，避免了无用的轮询，时间复杂度降低为O(1)。
• 支持大量并发：由于避免了无用的轮询，epoll能够高效地处理成千上万的并发连接。
• 内存拷贝减少：使用epoll时，内核和用户空间之间只传递事件通知，减少了数据拷贝的开销。

缺点：

• 仅限于Linux操作系统，跨平台性差。
• 使用复杂度较select和poll略高，需要更多的编程技巧和对Linux内核的理解。

五、Redis中的选择

Redis在事件驱动框架中，根据运行平台的特性和性能需求，灵活选择了select、poll、epoll中的一种或多种作为I/O多路复用的实现方式。

• 在Linux系统上，Redis默认使用epoll，因为它提供了最高的性能和最好的并发处理能力。
• 在非Linux系统上，如macOS或Windows，Redis可能会回退到使用select或poll，因为这些系统不支持epoll。

Redis的源码中，这一选择是通过宏定义和条件编译来实现的，确保了Redis在不同操作系统上的可移植性和性能优化。

六、总结

了解select、poll、epoll的原理、优缺点以及Redis中的选择策略，对于深入理解Redis的性能优化和事件驱动框架至关重要。每种I/O多路复用技术都有其适用的场景，Redis通过灵活选择最适合当前运行环境的机制，确保了其高性能和高效能。随着技术的发展，未来可能会有更多更高效的I/O多路复用技术出现，Redis也会持续演进，以适应不断变化的技术环境。