IO多路复用技术
一、核心概念
1.1 定义
IO多路复用（I/O Multiplexing）是单线程或单进程同时监测多个文件描述符是否可以执行IO操作的能力。
1.2 主要作用
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TCP服务器中处理多个客户端连接请求
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对多个可能阻塞的设备进行IO操作，哪个设备数据先就绪就先处理哪个
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解决传统阻塞IO模型并发能力差的问题
二、Linux IO模型分类
2.1 阻塞IO（默认）
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进程在等待IO操作时被挂起
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直到数据准备好或超时才恢复执行
2.2 非阻塞IO
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通过
fcntl()设置O_NONBLOCK标志 -
立即返回，不会阻塞进程
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需要循环检查（忙等待），消耗CPU资源
int flag;
flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0); // 获取当前文件状态标志
flag = flag | O_NONBLOCK; // 添加非阻塞标志
fcntl(fd, F_SETFL, flag); // 设置新的文件状态标志2.3 信号驱动IO（SIGIO）
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为文件描述符设置信号处理函数
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当数据就绪时内核发送SIGIO信号
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实际应用较少
2.4 并行模型
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使用多进程或多线程
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每个连接一个进程/线程
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资源消耗大，上下文切换开销高
2.5 IO多路复用（重点）
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select 、poll 、epoll
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单个线程监控多个文件描述符
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高效处理大量并发连接
三、select 模型详解
3.1 select 函数原型
int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);3.2 参数说明
| 参数 | 说明 |
|---|---|
nfds |
监控的文件描述符最大值+1 |
readfds |
监控读就绪的文件描述符集合 |
writefds |
监控写就绪的文件描述符集合 |
exceptfds |
监控异常的文件描述符集合 |
timeout |
超时时间，NULL表示无限等待 |
3.3 相关宏函数
void FD_ZERO(fd_set *set); // 清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 添加fd到集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 从集合移除fd
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 检查fd是否在集合中3.4 select 工作流程
1. 创建fd集合
2. 添加关心的fd到集合
3. 调用select()阻塞等待（内核轮询检查）
4. select返回后，遍历集合找到就绪的fd
5. 对就绪的fd进行读写操作
6. 清理标志位，准备下一次select3.5 select 的缺点
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文件描述符数量限制：默认1024
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每次调用都需要重新设置fd集合
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需要遍历所有fd检查就绪状态（O(n)复杂度）
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fd集合需要在用户态和内核态之间拷贝
四、epoll 模型详解
4.1 epoll 核心优势
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无文件描述符数量限制
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事件驱动，不随监听数增加而性能下降（O(1)复杂度）
-
共享内存，减少数据拷贝
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只返回就绪的事件列表
4.2 epoll 相关函数
4.2.1 epoll_create()
int epoll_create(int size);-
创建epoll实例
-
size：建议的监控数量（Linux 2.6.8后忽略，但需>0） -
返回：epoll文件描述符（成功），-1（失败）
4.2.2 epoll_ctl()
int epoll_ctl(int epfd,
int op,
int fd,
struct epoll_event *event);- 管理epoll监控列表
op参数：
-
EPOLL_CTL_ADD：添加文件描述符 -
EPOLL_CTL_MOD：修改监控事件 -
EPOLL_CTL_DEL：删除文件描述符
epoll_event结构：
struct epoll_event {
uint32_t events; // 监控的事件类型
epoll_data_t data; // 用户数据
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;常用事件类型：
-
EPOLLIN：可读事件 -
EPOLLOUT：可写事件 -
EPOLLET：边缘触发模式 -
EPOLLONESHOT：单次事件
4.2.3 epoll_wait()
int epoll_wait(int epfd,
struct epoll_event *events,
int maxevents,
int timeout);-
等待事件发生
-
events：输出参数，存放就绪的事件 -
maxevents：events数组的大小 -
timeout：超时时间（毫秒），-1表示阻塞
4.3 epoll 工作模式
4.3.1 水平触发（LT，默认）
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只要文件描述符可读/可写，就会不断通知
-
类似select/poll的工作方式
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编程简单，不易遗漏事件
4.3.2 边缘触发（ET）
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只有状态变化时才通知一次
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需要一次读取所有数据
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效率更高，但编程复杂
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必须使用非阻塞IO
4.4 epoll 工作流程
1. 创建epoll实例 (epoll_create)
2. 添加关心的fd到epoll (epoll_ctl)
3. 等待事件发生 (epoll_wait)
4. 处理就绪的事件（直接遍历返回的events数组）
5. 继续等待下一次事件五、select vs epoll 对比
| 特性 | select | epoll |
|---|---|---|
| 最大连接数 | 1024（可调整但有限制） | 无限制（系统可打开文件数） |
| 时间复杂度 | O(n)，需要遍历所有fd | O(1)，只处理就绪的fd |
| 工作方式 | 轮询所有fd | 事件驱动，回调机制 |
| 数据拷贝 | 每次调用都要拷贝fd集合 | 内核和用户空间共享内存 |
| 触发模式 | 只支持水平触发 | 支持水平触发和边缘触发 |
| 编程复杂度 | 简单 | 相对复杂 |
| 适用场景 | 连接数少，跨平台 | 连接数多，Linux专用 |
六、实际应用建议
6.1 选择标准
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select：连接数少（<1000），需要跨平台
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poll：连接数中等，无平台限制
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epoll：连接数多（>1000），Linux平台
6.2 性能优化建议
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非阻塞IO：与epoll ET模式配合使用
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事件循环：单线程处理所有连接
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连接池：复用已建立的连接
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缓冲区管理：合理设置缓冲区大小
6.3 常见应用
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Web服务器：Nginx, Apache
-
数据库连接池
-
聊天服务器
-
游戏服务器
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代理服务器
七、示例代码框架
// epoll 服务器框架示例
int main() {
// 1. 创建socket，绑定，监听
int listen_fd = socket(...);
bind(listen_fd, ...);
listen(listen_fd, ...);
// 2. 创建epoll实例
int epfd = epoll_create(1024);
// 3. 添加监听socket到epoll
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
while (1) {
// 4. 等待事件
int nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
for (int i = 0; i < nfds; i++) {
if (events[i].data.fd == listen_fd) {
// 5. 接受新连接
int conn_fd = accept(listen_fd, ...);
// 6. 设置非阻塞
fcntl(conn_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
// 7. 添加到epoll
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // ET模式
ev.data.fd = conn_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev);
} else {
// 8. 处理客户端数据
handle_client(events[i].data.fd);
}
}
}
close(epfd);
close(listen_fd);
return 0;
}八、总结
IO多路复用是现代高性能网络编程的核心技术，通过select/poll/epoll等机制，实现了单线程处理大量并发连接的能力。其中epoll在Linux平台下性能最优，广泛应用于各种高性能服务器中。掌握这些技术对于开发高并发网络应用至关重要。