本節書摘來自異步社群《linux系統程式設計（第2版）》一書中的第2章，第2.10節，作者：【美】robert love著，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視
應用通常需要在多個檔案描述符上阻塞：在鍵盤輸入（stdin）、程序間通信以及很多檔案之間協調i/o。基于事件驅動的圖形使用者界面（gui）應用可能會和成百上千個事件的主循環競争[5]。
如果不使用線程，而是獨立處理每個檔案描述符，單個程序無法同時在多個檔案描述符上阻塞。隻要這些描述符已經有資料可讀寫，也可以采用多個檔案描述符的方式。但是，要是有個檔案描述符資料還沒有準備好——比如發送了read()調用，但是還沒有任何資料——程序會阻塞，而且無法對其他的檔案描述符提供服務。該程序可能隻是阻塞幾秒鐘，導緻應用效率變低，影響使用者體驗。然而，如果該檔案描述符一直沒有資料，程序就會一直阻塞。因為檔案描述符的i/o總是關聯的（比如管道），很可能一個檔案描述符依賴另一個檔案描述符，在後者可用前，前者一直處于不可用狀态。尤其是對于網絡應用而言，可能同時會打開多個socket，進而引發很多問題。
試想一下如下場景：當标準輸入裝置（stdin）挂起，沒有資料輸出，應用在和程序間通信（ipc）相關的檔案描述符上阻塞。隻有當阻塞的ipc檔案描述符傳回資料後，程序才知道鍵盤輸入挂起——但是如果阻塞的操作一直沒有傳回，又會發生什麼呢？
如前所述，非阻塞i/o 是這種問題的一個解決方案。使用非阻塞i/o，應用可以發送i/o請求，該請求傳回特定錯誤，而不是阻塞。但是，該方案效率不高，主要有兩個原因：首先，程序需要連續随機發送i/o操作，等待某個打開的檔案描述符可以執行i/o操作。這種設計很糟糕。其次，如果程序睡眠則會更高效，睡眠可以釋放cpu資源，使得cpu可以處理其他任務，直到一個或多個檔案描述符可以執行i/o時再喚醒程序。
下面我們一起來探讨i/o多路複用。
i/o多路複用支援應用同時在多個檔案描述符上阻塞，并在其中某個可以讀寫時收到通知。是以，i/o多路複用成為應用的關鍵所在，在設計上遵循以下原則。
1．i/o多路複用：當任何一個檔案描述符i/o就緒時進行通知。
2．都不可用？在有可用的檔案描述符之前一直處于睡眠狀态。
3．喚醒：哪個檔案描述符可用了？
4．處理所有i/o就緒的檔案描述符，沒有阻塞。
5．傳回第1步，重新開始。
linux提供了三種i/o多路複用方案：select、poll和epoll。本章先探讨select和poll，epoll是linux特有的進階解決方案，将在第4章詳細說明。
2.10.1 select()
select()系統調用提供了一種實作同步i/o多路複用的機制：
在給定的檔案描述符i/o就緒之前并且還沒有超出指定的時間限制，select()調用就會阻塞。
監視的檔案描述符可以分為3類，分别等待不同的事件。對于readfds集中的檔案描述符，監視是否有資料可讀（即某個讀操作是否可以無阻塞完成）；對于writefds集中的檔案描述符，監視是否有某個寫操作可以無阻塞完成；對于exceptfds中的檔案描述符，監視是否發生異常，或者出現帶外（out-of-band）資料（這些場景隻适用于socket）。指定的集合可能是null，在這種情況下，select()不會監視該事件。
成功傳回時，每個集合都修改成隻包含相應類型的i/o就緒的檔案描述符。舉個例子，假定readfds集中有兩個檔案描述符7和9。當調用傳回時，如果描述符7還在集合中，它在i/o讀取時不會阻塞。如果描述符9不在集合中，它在讀取時很可能會發生阻塞。（這裡說的是“很可能”是因為在調用完成後，資料可能已經就緒了。在這種場景下，下一次調用select()就會傳回描述符可用。）[6]
第一個參數n，其值等于所有集合中檔案描述符的最大值加1。是以，select()調用負責檢查哪個檔案描述符值最大，将該最大值加1後傳給第一個參數。
參數timeout是指向timeval結構體的指針，定義如下：
如果該參數不是null，在tv_sec秒tv_usec微秒後。select()調用會傳回，即使沒有一個檔案描述符處于i/o就緒狀态。傳回時，在不同的unix系統中，該結構體是未定義的，是以每次調用必須（和檔案描述符集一起）重新初始化。實際上，目前linux版本會自動修改該參數，把值修改成剩餘的時間。是以，如果逾時設定是5秒，在檔案描述符可用之前已逝去了3秒，那麼在調用傳回時，tv.tv_sec的值就是2。
如果逾時值都是設定成0，調用會立即傳回，調用時報告所有事件都挂起，而不會等待任何後續事件。
不是直接操作檔案描述符集，而是通過輔助宏來管理。通過這種方式，unix系統可以按照所希望的方式來實作。不過，大多數系統把集合實作成位數組。
fd_zero從指定集合中删除所有的檔案描述符。每次調用select()之前，都應該調用該宏。
fd_set向指定集中添加一個檔案描述符，而fd_clr則從指定集中删除一個檔案描述符。
設計良好的代碼應該都不需要使用fd_clr，極少使用該宏。
fd_isset檢查一個檔案描述符是否在給定集合中。如果在，則傳回非0值，否則傳回0。當select()調用傳回時，會通過fd_isset來檢查檔案描述符是否就緒：
由于檔案描述符集是靜态建立的，是以檔案描述符數存在上限值，而且存在最大檔案描述符值，這兩個值都是由fd_setsize設定。在linux，該值是1024。我們将在本章稍後一起來看各種不同限制。
傳回值和錯誤碼
select()調用成功時，傳回三個集合中i/o就緒的檔案描述符總數。如果給出了逾時設定，傳回值可能是0。出錯時，傳回-1，并把errno值設定成如下值之一：
ebadf
某個集合中存在非法檔案描述符。
eintr
等待時捕獲了一個信号，可以重新發起調用。
einval
參數n是負數，或者設定的逾時時間值非法。
enomem
沒有足夠的記憶體來完成該請求。
select()示例
我們來看看下面的示例代碼，雖然簡單但對select()用法的說明卻非常實用。在這個例子中，會阻塞等待stdin的輸入，逾時設定是5秒。由于隻監視單個檔案描述符，該示例不算i/o多路複用，但它很清晰地說明了如何使用系統調用：
用select()實作可移植的sleep功能
在各個unix系統中，相比微秒級的sleep功能，對select()的實作更普遍，是以select()調用常常被作為可移植的sleep實作機制：把所有三個集都設定null，逾時值設定為非null。如下：
linux提供了高精度的sleep機制。在第11章中，我們将詳細說明它。
pselect()
select()系統調用很流行，它最初是在4.2bsd中引入的，但是posix标準在posix 1003.1g-2000和後來的posix 1003.1-2001中定義了自己的pselect()方法：
pselect()和select()存在三點差別：
pselect()的timeout參數使用了timespec結構體，而不是timeval結構體。timespec結構體使用秒和納秒，而不是秒和毫秒，從理論上講更精确些。但實際上，這兩個結構體在毫秒精度上已經不可靠了。
pselect()調用不會修改timeout參數。是以，在後續調用中，不需要重新初始化該參數。
select()系統調用沒有sigmask參數。當這個參數設定為null時，pselect()的行為和select()相同。
timespec結構體定義如下：
把pselect()添加到unix工具箱的主要原因是為了增加sigmask參數，該參數是為了解決檔案描述符和信号之間等待而出現競争條件（在第10章将深入讨論信号）。假設信号處理程式設定了全局标志位（大部分都如此），程序每次調用select()之前會檢查該标志位。現在，假定在檢查标志位和調用之間收到信号，應用可能會一直阻塞，永遠都不會響應該信号。pselect()提供了一組可阻塞信号，應用在調用時可以設定這些信号來解決這個問題。阻塞的信号要等到解除阻塞才會處理。一旦pselect()傳回，核心就會恢複老的信号掩碼。
在linux核心2.6.16之前，pselect()還不是系統調用，而是由glibc提供的對select()調用的簡單封裝。該封裝對出現競争的風險最小化，但是并沒有完全消除競争。當真正引入了新的系統調用pselect()之後，才徹底解決了競争問題。
雖然和select()相比，pselect()有一定的改進，但大多數應用還是使用select()，有的是出于習慣，也有的是為了更好的可移植性。
2.10.2 poll()
poll()系統調用是system v的i/o多路複用解決方案。它解決了一些select()的不足，不過select()還是被頻繁使用（還是出于習慣或可移植性的考慮）：
select()使用了基于檔案描述符的三位掩碼的解決方案，其效率不高；和它不同，poll()使用了由nfds個pollfd結構體構成的數組，fds指針指向該數組。pollfd結構體定義如下：
每個pollfd結構體指定一個被監視的檔案描述符。可以給poll()傳遞多個pollfd結構體，使它能夠監視多個檔案描述符。每個結構體的events變量是要監視的檔案描述符的事件的位掩碼。使用者可以設定該變量。revents變量是該檔案描述符的結果事件的位掩碼。核心在傳回時會設定revents變量。events變量中請求的所有事件都可能在revents變量中傳回。以下是合法的events值：
pollin
有資料可讀。
pollrdnorm
有普通資料可讀。
pollrdband
有優先資料可讀。
pollpri
有高優先級資料可讀。
pollout
寫操作不會阻塞。
pollwrnorm
寫普通資料不會阻塞。
pollband
寫優先資料不會阻塞。
pollmsg
有sigpoll消息可用。
此外，revents變量可能會傳回如下事件：
poller
給定的檔案描述符出現錯誤。
pollhup
給定的檔案描述符有挂起事件。
pollnval
給定的檔案描述符非法。
對于events變量，這些事件沒有意義，events參數不要傳遞這些變量，它們會在revents變量中傳回。poll()和select()不同，不需要顯式請求異常報告。
pollin | pollpri等價于select()的讀事件，而pollout | pollwrband等價于select()的寫事件。pollin等價于pollrdnorm | pollrdband，而pollout等價于pollwrnorm。
舉個例子，要監視某個檔案描述符是否可讀寫，需要把events設定成pollin | pollout。傳回時，會檢查revents中是否有相應的标志位。如果設定了pollin，檔案描述符可非阻塞讀；如果設定了pollout，檔案描述符可非阻塞寫。标志位并不是互相排斥的：可以同時設定，表示可以在該檔案描述符上讀寫，而且都不會阻塞。
timeout參數指定等待的時間長度，機關是毫秒，不論是否有i/o就緒，poll()調用都會傳回。如果timeout值為負數，表示永遠等待；timeout為0表示poll()調用立即傳回，并給出所有i/o未就緒的檔案描述符清單，不會等待更多事件。在這種情況下，poll()調用如同其名，輪詢一次後立即傳回。
poll()調用成功時，傳回revents變量不為0的所有檔案描述符個數；如果沒有任何事件發生且未逾時，傳回0。失敗時，傳回-1，并相應設定errno值如下：
一個或多個結構體中存在非法檔案描述符。
efault
fds指針指向的位址超出了程序位址空間。
在請求事件發生前收到了一個信号，可以重新發起調用。
nfds參數超出了rlimit_nofile值。
可用記憶體不足，無法完成請求。
poll()示例
我們一起來看一下poll()的示例程式，它同時檢測stdin讀和stdout寫是否會發生阻塞：
運作後，生成結果如下（和期望一緻）：
再次運作，這次把一個檔案重定向到标準輸入，可以看到兩個事件：
如果在實際應用中使用poll()，不需要在每次調用時都重新建構pollfd結構體。該結構體可能會被重複傳遞多次，核心會在必要時把revents清空。
ppoll()
類似于pselect()和select()，linux也為poll()提供了ppoll()。然而，和pselect()不同，ppoll()是linux特有的調用：
類似于pselect()，timeout參數指定的逾時時間是秒和納秒，sigmask參數提供了一組等待處理的信号。
2.10.3 poll()和select()的差別
雖然poll()和select()完成相同的工作，但poll()調用在很多方面仍然優于select()調用：
poll()不需要使用者計算最大檔案描述符值加1作為參數傳遞給它。
poll()對于值很大的檔案描述符，效率更高。試想一下，要通過select()監視一個值為900的檔案描述符，核心需要檢查每個集合中的每個位，一直檢查900個位。
select()的檔案描述符集合是靜态的，需要對大小設定進行權衡：如果值很小，會限制select()可監視的最大檔案描述符值；如果值很大，效率會很低。當值很大時，大的位掩碼操作效率不高，尤其是當無法确定集合是否稀疏集合。[7]對于poll()，可以準确建立大小合适的數組。如果隻需要監視一項，則僅傳遞一個結構體。
對于select()調用，傳回時會重新建立檔案描述符集，是以每次調用都必須重新初始化。poll()系統調用會把輸入（events變量）和輸出（revents變量）分離開，支援無需改變數組就可以重新使用。
select()調用的timeout參數在傳回時是未定義的。代碼要支援可移植，需要重新對它初始化。而對于pselect()，不存在這些問題。
不過，select()系統調用也有些優點：
select()可移植性更好，因為有些unix系統不支援poll()。
select()提供了更高的逾時精度：select()支援微秒級，poll()支援毫秒級。ppoll()和pselect()理論上都提供了納秒級的逾時精度，但是實際上，這兩個調用的毫秒級精度都不可靠。