1. 函数说明

1.1 select

/* According to POSIX.1-2001 */
#include <sys/select.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

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

void FD_ZERO(fd_set *set);          //清空集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除
void FD_SET(int fd, fd_set *set);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

struct timeval {
   long    tv_sec;         /* seconds 秒*/
   long    tv_usec;        /* microseconds 微妙*/
};

该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发生，并在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才被唤醒。

• 第一个参数 nfds 指定待测试的描述符个数，其值为最大的文件描述符加1，描述符0、1、2...nfds-1均将被测试（因为文件描述符是从0开始的）。
• 中间的三个参数 readset、writeset、exceptset 指定我们要让内核测试读、写、异常条件的描述符。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为 NULL。struct fd_set 可以理解为一个集合（实际上是一long类型的数组），这个集合中存放的是文件描述符，可通过上面那四个函数进行设置。
• timeout 告知内核等待所指定描述符中的任何一个就绪最多等待时长。没有等到就绪就会超时。该参数控制三种可能：
  ① 传 NULL 时，一直阻塞直到有感兴趣的描述符上有IO事件就绪。
  ② timeval结构中指定的秒数和微秒数都是0，检查描述符后立即返回，不阻塞。
  ③ timeval结构中指定的秒数和微秒数指定了时长，在指定时长超时之前有 IO事件就绪返回，或者超时返回。

1.2 poll

#include <poll.h>

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

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor 文件描述符 */
    short events;     /* requested events 等待的事件 */
    short revents;    /* returned events 实际发生了的事件 */
};

每一个 struct pollfd 结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，让 poll() 监视多个文件描述符。每个结构体的 events 域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents 域是文件描述符的操作结果事件掩码，内核在调用返回时设置这个域。events 域中请求的任何事件都可能在 revents 域中返回。

合法的事件如下：

POLLIN | POLLPRI 等价于 select() 的读事件
POLLOUT 等价于 select() 的写事件

① timeout 参数指定等待的毫秒数，在超时之前有 IO 事件就绪或者超时，poll 都会返回
② timeout 为负数值，表示一直阻塞直到一个指定事件发生，poll 才返回。
③ timeout 为0，poll 调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。

返回值和错误代码
成功时：poll() 返回结构体中 revents 域不为0的文件描述符个数。
超时后：如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0。
失败时：poll() 返回-1，并设置errno为下列值之一

EFAULT 　　 指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR　　　 请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL 　　 参数超出 PLIMIT_NOFILE 值。
ENOMEM 　 可用内存不足，无法完成请求。

1.3 epoll

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
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);

typedef union epoll_data {
   void        *ptr;
   int          fd;
   __uint32_t   u32;
   __uint64_t   u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
   __uint32_t   events;      /* Epoll events */
   epoll_data_t data;        /* User data variable */
};

（1）创建 epoll 实例
现在一般使用 epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)，原因：

• 在linux 内核版本大于2.6.8 后，epoll_create(int size) 这个 size 参数就被弃用了，但是传入的值必须大于0。最初实现版本时， size参数的作用告诉内核需要使用多少个文件描述符。内核会使用 size 的大小去申请对应的内存。现在这个size参数不再使用了，内核会动态的申请需要的内存。
• 使用 epoll_create1() 的优点是它允许你指定标志，指定 EPOLL_CLOEXEC 标记在执行另一个进程时文件描述符会自动关闭。

（2）epoll 的事件注册
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
先注册要监听的事件类型。
第一个参数是 epoll_create1 的返回值
第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的监听事件
EPOLL_CTL_DEL ：从 epfd 中删除一个 fd

第三个参数是需要监听的 fd
第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event 结构见上面代码
events 可以是以下几个宏的集合：

LT (Level Triggered) 水平触发：默认的模式。内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你。

ET (Edge Triggered) 边缘触发：“高速”模式。内核只会提示一次，直到下次再有数据流入之前都不会再提示了，无论 fd 中是否还有数据可读。在ET模式下，read一个fd的时候一定要把数据读完。

（3）等待事件的产生
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
等待事件的产生，类似于 select() 调用。
参数 events 用来从内核得到事件的集合
参数 maxevents 告之内核这个 events 有多大
参数 timeout 是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1一直阻塞直到有IO事件就绪）
该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

2. 三者之间的关联和区别

关联

select，poll，epoll 都是 I/O 多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，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。
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。

区别

关于最大连接数先理清楚2个概念：
⑴ 一个进程能打开的最大文件描述符，使用 ulimit -n 或者 cat /proc/进程号/limits |grep "Max open file"
❶ 使用 ulimit -n xxx 修改（只针对当前session有效），
❷ 通过 setrlimit 系统调用修改（只对当前进程有效），
❸ 修改 /etc/security/limits.conf 在该文件中添加以下两行：

    *      soft    nofile     100000
    *      hard    nofile     100000

这个值是可以修改的，但是最大不要超过系统所能打开的最大数，超过了也没有什么意义。

⑵ 一个系统所能打开的最大数也是有限的，跟内存大小有关，可以通过cat /proc/sys/fs/file-max 查看。

• 注意：对于服务器程序来说并不是“理论”最大只能打开65535个 socket 连接。65535 只是linux系统的最大可用socket端口，比如在一台服务器（这里指主机而非服务程序）上“理论”上最多只能发起65535个客户端连接（实际要小于）这是对的，因为每发起一个连接都需要一个端口。服务器程序只需监听几个端口就够了，它的上限是系统所能打开的最大文件描述符的数量。不要搞混了这两个概念。

> 支持一个进程所能打开的最大连接数

• select 最大连接数有一定限制的，由 FD_SETSIZE 值决定的，默认值是2048。可以对进行修改，需要重新编译内核，但是性能可能会受到影响。
• poll 最大连接数上限是系统能最大可以打开文件的数目，一般来说这个数目受限于系统内存，1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max。
• epoll 与 poll 一样，最大连接数上限是系统能最大可以打开文件的数目。

> 连接数剧增后带来的 IO 效率问题

• select 每次调用都对所有的连接进行线性遍历，所以随着连接数的增加会造成遍历速度的线性下降的性能问题。
• poll 与 select 有相同的问题
• epoll 是事件驱动的，内核中的实现是根据每个连接 fd 上的 callback 函数来实现的，只有活跃的 socket 才会主动调用 callback，所以在活跃 socket 较少的情况下，使用 epoll 没有前面两者的线性下降的性能问题，但是所有 socket 都很活跃的情况下，可能也会有性能问题。

epoll 如何实现只处理活跃连接
epoll实现了eventpoll数据结构
数据结构中rdlist将活跃连接存储在链表中，当网卡发送报文时，增加节点，当读取一个事件后，链表删除节点，需要得到活跃连接就只需要遍历链表
数据结构中rdr使用红黑树（自平衡二叉树）将事件存储，例如：当有读事件时，就新增节点，事件复杂度为logN

一般来说编写高并发服务器程序都会首先 epoll 因为这种环境下其性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select 和 poll 的性能可能比 epoll 好，毕竟 epoll 的通知机制需要很多函数回调。