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I/O 多路复用详解笔记

news 2025/7/16 16:28:51

I/O 多路复用笔记

什么是I/O多路复用

I/O多路复用（I/O Multiplexing）是一种**允许单个线程（或进程）监听多个I/O描述符（fd）**上是否就绪（可读/可写/异常）的方法。这种方式可以有效地管理多个I/O流，在高并发服务器场景下尤为重要。

应用场景

网络服务器（如HTTP、Chat服务器）
高并发Socket连接处理
事件驱动编程模型
GUI事件循环
Linux文件/管道/信号等I/O集中管理

阻塞、非阻塞、I/O复用对比

模型	特点	线程数	适用场景
阻塞I/O	调用read/write时会阻塞直到数据准备	多	简单、低并发任务
非阻塞I/O	read/write立即返回，轮询状态	多	响应要求极快场景
I/O多路复用	单线程监听多个fd是否就绪	单	高并发网络服务
信号驱动I/O	使用信号机制异步通知I/O完成	单	使用复杂，少用
异步I/O (AIO)	操作系统完成I/O并通知应用	单	真正非阻塞，较少用

三种常见多路复用方式

1. `select`

最早的I/O多路复用方式
使用 fd_set 管理文件描述符集合
每次调用都需要重建集合，效率低
最大监听fd数受限（通常1024）

2. `poll`

支持任意fd数量（但仍需遍历）
使用 pollfd 数组存放监听项
没有fd上限，但效率也较低（O(n)）

3. `epoll`（Linux特有）

内核级支持的高效方式
支持事件通知机制
使用红黑树+链表管理事件
支持边缘触发（ET） 和 水平触发（LT）
适合大规模连接数的服务

epoll使用流程

int epfd = epoll_create(1); // 创建epoll对象struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listenfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); // 添加监听fdstruct epoll_event events[1024];
int n = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); // 等待事件发生for (int i = 0; i < n; i++) {if (events[i].events & EPOLLIN) {// 可读事件处理}
}

ET 与 LT 模式比较

模式	全称	特点	适用
LT	Level Trigger	默认模式，数据未读完会重复触发	易用、安全
ET	Edge Trigger	仅在状态变化时触发一次	高性能、需非阻塞

注意：ET模式下必须使用非阻塞I/O，并在事件触发时循环读写直到EAGAIN

epoll服务器示意

epfd = epoll_create(1);
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, ...);while (1) {int n = epoll_wait(epfd, events, 100, -1);for (int i = 0; i < n; i++) {int fd = events[i].data.fd;if (fd == listenfd) {int connfd = accept();epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, ...);} else {// 处理连接数据}}
}

性能比较总结

模型	遍历方式	空间开销	扩展性	推荐使用
select	遍历所有fd	大	差	❌
poll	遍历pollfd数组	较大	一般	❌
epoll	事件驱动	小	高	✅

常见面试题及答案

select 和 epoll 有什么区别？

答：

对比项	select	epoll
最大连接数	受限于FD_SETSIZE（通常1024）	理论上无上限（受限于内存）
数据结构	数组	红黑树 + 链表
拷贝开销	每次调用需要复制fd_set	只复制活跃事件
性能	O(n) 遍历所有fd	O(1) 返回活跃事件
支持触发模式	仅LT	支持LT和ET