Linux I/O 多路複用三雄對決：select vs poll vs epoll 核心機制、效能與適用場景深度比較

本質相同：同步 I/O 多路複用

三者皆由應用程式將一組檔案描述符 (FD) 交給核心監控，核心在任一 FD 就緒 (可讀/可寫/異常) 時通知應用程式，應用程式再自行發起實際讀寫 (阻塞或非阻塞)。核心不負責資料搬移，故屬同步 I/O。

select (POSIX.1-2001)

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

• 單進程 FD 上限 FD_SETSIZE (通常 1024)，可修改重編核心但效能不升反降。
• 每次呼叫需將三組 fd_set 從使用者空間複製到核心空間 (O(n))，返回後再複製回來並全掃描 找就緒 FD (O(n))。
• FD 集合以位圖表示，FD_SET/FD_CLR/FD_ISSET 操作。

poll (POSIX.1-2001)

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
struct pollfd { int fd; short events; short revents; };

• 無 FD 數量硬性上限 (受限於 RLIMIT_NOFILE 與記憶體)。
• events 輸入關注事件，revents 輸出實際事件，避免 select 的輸入輸出共用位圖問題。
• 仍需全掃描 fds 陣列 (O(n))，大量連線時效能線性下降。

epoll (Linux 2.5.44+ 專有)

事件驅動 + 回調機制，避免全掃描，是 Linux 高併發網路編程標準選擇。

三大核心 API

// 1. 建立 epoll 實例，返回一個 FD (epfd)
int epoll_create(int size);  // size 為初始分配提示，現核心動態擴展
// 建議用 epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC)

// 2. 註冊/修改/刪除 FD 及關注事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
op: EPOLL_CTL_ADD / EPOLL_CTL_MOD / EPOLL_CTL_DEL
struct epoll_event {
    uint32_t events;   // EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLET, EPOLLONESHOT...
    epoll_data_t data; // 用戶自訂資料 (ptr/fd/u32/u64)
};

// 3. 等待就緒事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
// 返回就緒事件數量，events 陣列填入就緒事件資訊
// timeout: -1 永久阻塞, 0 非阻塞輪詢, >0 毫秒超時

關鍵事件旗標

• EPOLLIN：可讀 (含對端正常關閉 FIN)
• EPOLLOUT：可寫
• EPOLLET：邊緣觸發 (Edge Triggered) — 僅在狀態變化瞬間通知一次，需配合非阻塞 IO 循環讀寫至 EAGAIN，適合高併發。
• EPOLLONESHOT：一次性通知，處理完需再次 epoll_ctl MOD 重新啟用，常用於執行緒池分發任務避免驚群。

水平觸發 (LT, 預設) vs 邊緣觸發 (ET)

效能對比總結

選型建議

• 連線數 < 1000、需跨平台：select/poll 簡單足夠。
• 高併發 (萬級+)、長連線、Linux 專用：epoll (LT 起步，效能瓶頸再改 ET)。
• 避坑指南：epoll 必須對 FD 設 O_NONBLOCK；ET 模式必須循環 read/write 至 EAGAIN；定期檢查 epoll_wait 返回值處理錯誤/關閉；使用 EPOLLONESHOT 配合執行緒池避免同一連線並發處理。