IO多路复用：select、poll、epoll

一.阻塞非阻塞IO

阻塞IO：阻塞 I/O 是指当一个 I/O 操作被请求时，调用该操作的线程或进程会一直等待，直到 I/O 操作完成后才继续执行。例如，调用 recvfrom()等函数时，如果没有数据到达，进程会一直阻塞等待，直到数据到达并读取完成。

阻塞IO缺点：阻塞IO存在两次上下文切换，且一般单线程只能监控单连接。第一次阻塞发生在用户太读取数据数据并未准备好，用户态进程会被挂起并切换至内核态。第二次阻塞发生在从内核RingBuffer拷贝数据至用户空间的时候，数据拷贝完毕会发生内核态到用户空间的上下文切换。

非阻塞IO：非阻塞 I/O 是指 I/O 操作在被调用时，如果无法立即完成，则不会让线程或进程阻塞，而是立刻返回。调用方可以重复请求或轮询该操作的状态，直到 I/O 操作完成。例如， recv() 进行非阻塞读取时，如果没有数据到达，则立即返回一个错误，调用方可以在稍后再次调用检查数据是否已到达。非阻塞IO的CPU开销较大，且存在一次进程上下切换，因为Linux内核本质上不存在异步IO（内核缓存区拷贝数据时）。

IO多路复用：I/O 多路复用（I/O Multiplexing）是一种在单个线程或进程中同时监控多个 I/O 描述符（如 socket）的技术。通过 I/O 多路复用，程序可以在一个线程中等待多个 I/O 操作完成，无需为每个 I/O 操作创建独立的线程或进程，从而高效地处理大量并发 I/O 请求。

二.Select

select() 函数用于监控多个文件描述符（如 sockets）是否发生了 I/O 事件（如可读、可写、异常），从而实现 I/O 多路复用。它会阻塞等待，直到至少一个文件描述符状态发生变化或超时后返回。

cpp 复制代码

#include <sys/select.h>

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

int select(
    int nfds,                     // 监控的文件描述符集里最大文件描述符加1
    fd_set *readfds,              // 监控有读数据到达文件描述符集合，引用类型的参数
    fd_set *writefds,             // 监控写数据到达文件描述符集合，引用类型的参数
    fd_set *exceptfds,            // 监控异常发生达文件描述符集合，引用类型的参数
    struct timeval *timeout);     // 定时阻塞监控时间

fd_set 文件描述符集合

select 函数参数中的 fd_set 类型表示文件描述符的集合。

由于文件描述符 fd 是一个从 0 开始的无符号整数，所以可以使用 fd_set 的二进制每一位来表示一个文件描述符。某一位为 1，表示对应的文件描述符已就绪。比如比如设 fd_set 长度为 1 字节，则一个 fd_set 变量最大可以表示 8 个文件描述符。当 select 返回 fd_set = 00010011 时，表示文件描述符 1、2、5 已经就绪。

cpp 复制代码

#include <sys/select.h>
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);  // 将 fd_set 所有位置 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // 将 fd_set 某一位置 0
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);  // 将 fd_set 某一位置 1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检测 fd_set 某一位是否为 1

使用select监控多个文件描述符的Demo如下：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAX_SOCKETS 5
#define PORT 8080

int main() {
    int sockets[MAX_SOCKETS];    // 保存5个socket文件描述符
    fd_set readfds;              // 用于存储需要监控的文件描述符集合
    struct sockaddr_in address;
    int max_sd, activity, new_socket;
    char buffer[1024];

    // 创建并绑定 5 个 socket
    for (int i = 0; i < MAX_SOCKETS; i++) {
        if ((sockets[i] = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
            perror("Socket creation failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        address.sin_family = AF_INET;
        address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        address.sin_port = htons(PORT + i);  // 每个socket不同端口

        if (bind(sockets[i], (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {
            perror("Bind failed");
            close(sockets[i]);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        if (listen(sockets[i], 3) < 0) {
            perror("Listen failed");
            close(sockets[i]);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    printf("Waiting for connections...\n");

    while (1) {
        // 初始化文件描述符集合
        FD_ZERO(&readfds);
        max_sd = 0;

        // 将每个 socket 文件描述符加入到集合中
        for (int i = 0; i < MAX_SOCKETS; i++) {
            FD_SET(sockets[i], &readfds);
            if (sockets[i] > max_sd) {
                max_sd = sockets[i];
            }
        }

        // 使用 select 监控文件描述符集合中的变化
        activity = select(max_sd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

        if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {
            perror("Select error");
        }

        // 检查每个 socket 是否有活动（数据可读或新连接）
        for (int i = 0; i < MAX_SOCKETS; i++) {
            if (FD_ISSET(sockets[i], &readfds)) {
                // 接受新的连接
                if ((new_socket = accept(sockets[i], NULL, NULL)) < 0) {
                    perror("Accept error");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                printf("New connection on socket %d\n", sockets[i]);

                // 读取数据
                int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
                if (valread > 0) {
                    buffer[valread] = '\0';
                    printf("Received: %s\n", buffer);
                }

                close(new_socket);  // 关闭新连接
            }
        }
    }

    // 关闭 sockets
    for (int i = 0; i < MAX_SOCKETS; i++) {
        close(sockets[i]);
    }

    return 0;
}

三.Select性能分析

1）调用 select 时会陷入内核，这时需要将参数中的 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间，select 执行完后，还需要将 fd_set 从内核空间拷贝回用户空间，高并发场景下这样的拷贝会消耗极大资源；（epoll 优化为不拷贝）

2）进程被唤醒后，不知道哪些连接已就绪即收到了数据，需要遍历传递进来的所有 fd_set 的每一位，不管它们是否就绪；（epoll 优化为异步事件通知）

3）select 只返回就绪文件的个数，具体哪个文件可读还需要遍历；（epoll 优化为只返回就绪的文件描述符，无需做无效的遍历）

2.同时能够监听的文件描述符数量太少。受限于 sizeof(fd_set) 的大小，在编译内核时就确定了且无法更改。一般是 32 位操作系统是 1024，64 位是 2048。（poll、epoll 优化为适应链表方式）