聊一聊 .NET在Linux下的IO多路复用select和epoll

一：背景

1. 讲故事

在windows平台上，相信很多人都知道.NET异步机制是借助了Windows自带的 IO完成端口 实现的异步交互，那在 Linux 下.NET 又是怎么玩的呢？主要还是传统的 select，poll，epoll 的IO多路复用，在 coreclr源代码中我们都能找到它们的影子。

1. select & poll

在平台适配层的 pal.cpp 文件中，有这样的一句话。

#if HAVE_POLL
#include <poll.h>
#else
#include "pal/fakepoll.h"
#endif  // HAVE_POLL

简而言之就是在不支持 poll 的linux版本中使用 select（fakepoll） 模拟，参考代码如下：

2. epoll

同样的在 linux 中你也会发现很多，截图如下：

二：select IO多路复用

1. select 解读

在没有 select 之前，我们需要手工管理多句柄的收发，在使用select IO多路复用技术之后，这些多句柄管理就由用户转交给linux系统了，这个也可以从核心的 select 函数看出。

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

1. readfds,writefds,exceptfds

这三个字段依次监视着哪些句柄已成可读状态，哪些句柄已成可写状态，哪些句柄已成异常状态，那技术上是如何实现的呢？在libc 中定义了一个 bit 数组，刚好文件句柄fd值作为 bit数组的索引，linux 在内核中只需要扫描 __fds_bits 中哪些位为1 即可找到需要监控的句柄。

/* fd_set for select and pselect.  */
typedef struct
  {
    /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name
       from the global namespace.  */
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;

2. nfds，timeout

为了减少扫描范围，提高程序性能，需要用户指定一个最大的扫描值到 nfds 上。后面的timeout即超时时间。

2. select 的一个小例子

说了再多还不如一个例子有说服力，我们使用 select 机制对 Console 控制台句柄 (STDIN_FILENO) 进行监控，一旦有数据进来立马输出，参考代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    char buf[256];

    printf("Enter text (press Ctrl+D to end):\n");

    while (1)
    {
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);
        timeout.tv_sec = 5; // 5秒超时
        timeout.tv_usec = 0;

        int ready = select(STDIN_FILENO + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

        if (ready == -1)
        {
            perror("select");
            break;
        }
        else if (ready == 0)
        {
            printf("\nTimeout (5秒无输入).\n");
            break;
        }
        else if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds))
        {
            // 使用 fgets 逐行读取
            if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL)
            {
                printf("You entered: %s", buf); // 输出整行（包含换行符）
            }
            else
            {
                printf("\nEnd of input (Ctrl+D pressed).\n");
                break;
            }
        }
    }

    return 0;
}

稍微解释下代码逻辑。

/* Standard file descriptors.  */
#define	STDIN_FILENO	0	/* Standard input.  */
#define	STDOUT_FILENO	1	/* Standard output.  */
#define	STDERR_FILENO	2	/* Standard error output.  */

1. 将 STDIN_FILENO=0 塞入到可读句柄监控 (readfds) 中。
2. 数据进来之后 select 被唤醒,执行后续逻辑。
3. 通过 FD_ISSET 判断 bit=0 的位置(STDIN_FILENO)是否可用，可用的话读取数据。

如果大家对 select 底层代码感兴趣，可以看下 linux 的 do_select 简化实现，大量的遍历逻辑(bit)。

static noinline_for_stack int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec64 *end_time)
{
	for (;;) {
		unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;
		bool can_busy_loop = false;

		inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
		rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;

		for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
			in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
			all_bits = in | out | ex;

			for (j = 0; j < BITS_PER_LONG; ++j, ++i, bit <<= 1) {
				mask = select_poll_one(i, wait, in, out, bit,busy_flag);
				if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
					res_in |= bit;
					retval++;
					wait->_qproc = NULL;
				}
				if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
					res_out |= bit;
					retval++;
					wait->_qproc = NULL;
				}
				if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
					res_ex |= bit;
					retval++;
					wait->_qproc = NULL;
				}
			}
		}

		if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack))
			timed_out = 1;
	}

	return retval;
}

三：epoll IO多路复用

1. epoll 解读

现在主流的软件(Redis,Nigix) 都是采用 epoll，它解决了select低效的遍历，毕竟数组最多支持1024个bit位，一旦句柄过多会影响异步读取的效率。epoll的底层借助了。

1. 红黑树：对句柄进行管理，复杂度为 O(logN)。
2. 就绪队列：一旦句柄变得可读或可写，内核会直接将句柄送到就绪队列。

libc中使用 epoll_wait 函数监视着就绪队列，一旦有数据立即提取，复杂度 O(1)，其实这个机制和 Windows 的IO完成端口 已经很靠近了，最后配一下参考代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

#define MAX_EVENTS 10   // 最大监听事件数
#define TIMEOUT_MS 5000 // epoll_wait 超时时间（毫秒）

int main()
{
    int epoll_fd, nfds;                        // epoll 文件描述符和返回的事件数
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS]; // epoll 事件结构体
    char buf[256];

    // 创建 epoll 实例
    epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1)
    {
        perror("epoll_create1");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 配置并添加标准输入到 epoll 监听
    ev.events = EPOLLIN;       // 监听文件描述符的可读事件（输入）
    ev.data.fd = STDIN_FILENO; // 监听标准输入（文件描述符 0）

    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev) == -1)
    {
        perror("epoll_ctl: STDIN_FILENO");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Enter text line by line (press Ctrl+D to end):\n");

    // 主循环：监听事件
    while (1)
    {
        // 等待事件发生或超时
        nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, TIMEOUT_MS);

        if (nfds == -1)
        {
            perror("epoll_wait");
            break;
        }
        else if (nfds == 0)
        {
            printf("\nTimeout (5秒无输入).\n");
            break;
        }

        // 处理所有触发的事件
        for (int n = 0; n < nfds; ++n)
        {
            if (events[n].data.fd == STDIN_FILENO)
            {
                // 使用 fgets 逐行读取输入
                if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL)
                {
                    printf("You entered: %s", buf);
                }
                else
                {
                    // 输入结束（用户按下 Ctrl+D）
                    printf("\nEnd of input (Ctrl+D pressed).\n");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    close(epoll_fd);
    return 0;
}

四：总结

说了这么多，文尾总结下目前主流的 epoll 和 iocp 各自的特点。

特性	epoll (Linux)	IOCP (Windows)
模型	事件驱动 (Reactor)	完成端口 (Proactor)
核心思想	通知可读写事件	通知I/O操作完成
适用场景	高并发网络编程	高并发I/O操作
编程复杂度	较低	较高
网络I/O性能	极佳(百万级连接)	优秀
磁盘I/O支持	有限	完善
CPU利用率	高	中
内存开销	低	中