Linux—网络通信04-IO多路复用

一、IO 多路复用 --- 概念

定义：在单线程/单进程中，同时监测多个文件描述符（fd）是否可以执行 IO 操作的能力，也称为 IO 事件（读/写）的通知机制。

核心价值：

应用程序通常需要处理来自多条事件流的事件（键盘/鼠标输入、网络连接等）
Web 服务器（如 Nginx）需要同时处理来自 N 个客户端的请求
用单个执行体检测多个阻塞设备，避免为每个连接创建进程/线程的开销

二、五种 IO 模型

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| IO 模型 | 说明 |
| ① 阻塞 IO | 默认模式。调用 read/recv 后线程挂起，直到数据就绪才返回。 |
| ② 非阻塞 IO | 使用 fcntl 设置 O_NONBLOCK。数据未就绪时立即返回 EAGAIN，需要轮询（忙等待），CPU 消耗高。 |
| ③ 信号驱动 IO | 使用 SIGIO 信号通知。数据就绪时系统发信号给进程，用得相对少，了解即可。 |
| ④ 并行模型 | 多进程 / 多线程各自独立处理 IO，编程简单但资源消耗大。 |
| ⑤ IO 多路复用 | select / poll / epoll。单线程监控多个 fd，高并发服务器首选。 |

三、select

3.1 使用步骤

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| ① 定义描述符集合（fd_set），并清零： FD_ZERO(&rd_set) ② 向集合中添加需要监测的 fd： FD_SET(fd, &rd_set) ③ 调用 select，阻塞等待通知（轮询） ④ select 返回后，遍历 fd 集合，用 FD_ISSET 找到就绪的 fd ⑤ 对就绪 fd 执行 read / recv ⑥ 清除标志位，重新添加 fd，循环执行步骤 ③ |

3.2 函数原型

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

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| 参数 | 说明 |
| nfds | 描述符上限值，通常为集合中最大 fd + 1，可直接写 1024 |
| readfds | 只读描述符集（最常用） |
| writefds | 只写描述符集 |
| exceptfds | 异常描述符集 |
| timeout | 超时设置；NULL = 永久阻塞；0 = 非阻塞 |
| 返回值 | > 0 就绪 fd 数量 | 0 超时 | -1 出错 |

3.3 辅助宏函数

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| 函数 | 作用 |
| FD_ZERO(&set) | 清空集合中所有描述符 |
| FD_SET(fd, &set) | 将 fd 添加到集合 |
| FD_CLR(fd, &set) | 从集合中删除 fd |
| FD_ISSET(fd, &set) | 判断 fd 是否在集合中（就绪检测） |

3.4 注意事

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| ⚠️ select 执行后会修改 readfds 集合，循环调用前必须重新设置（清除标志位） ⚠️ 超时版本：每次调用 select 前都要重新设置 timeout 结构体 ⚠️ 单个集合最多监测 1024 个描述符（FD_SETSIZE 限制） ⚠️ nfds 传入进程中最大 fd 的整数值，也可直接写 1024 |

四、epoll

4.1 使用步骤

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| ① epoll_create(size) --- 创建 epoll 实例（红黑树），得到 epfd ② epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD, fd, event) --- 向集合添加需要监测的 fd ③ epoll_wait(epfd, events, maxevents, timeout) --- 阻塞等待，主动上报（中断机制） ④ 遍历返回的 events 数组，对就绪 fd 执行读取操作 |

4.2 相关函数

epoll_create --- 创建集合

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| int epoll_create(int size); |

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| size | 集合可存储 fd 的最大数量 |
| 返回值 | > 0 epfd（表示该红黑树的文件描述符） | -1 出错 |

epoll_ctl --- 管理集合

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| int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); |

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| epfd | epoll_create 返回的集合描述符 |
| op | EPOLL_CTL_ADD 添加 / EPOLL_CTL_DEL 删除 / EPOLL_CTL_MOD 修改 |
| fd | 需要操作的文件描述符 |
| event.events | EPOLLIN（可读） / EPOLLOUT（可写） |
| event.data.fd | 用户自定义数据，查找 fd 时使用 |
| 返回值 | 0 成功 | -1 出错 |

epoll_wait --- 等待 IO 事件

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| int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); |

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| epfd | 被检测的集合 |
| events | 输出集合：就绪 fd 由系统写入此数组 |
| maxevents | 一次最多复制到 events 的 fd 数量 |
| timeout | -1 永久阻塞 | 0 非阻塞 | 5000 等待 5s |
| 返回值 | > 0 就绪 fd 数量 | 0 超时 | -1 出错 |

4.3 epoll 优势

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| ✅ 不受 1024 个 fd 限制（无 FD_SETSIZE 限制） ✅ 采用主动上报（中断）机制，效率不随 fd 数量增多而下降 ✅ 使用共享内存，避免集合在用户层和内核层多次复制 ✅ epoll_wait 返回后，就绪 fd 已汇总在 events 数组，查找方便 |

五、select vs epoll 对比

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| 对比项 | select | epoll |
| fd 数量限制 | 最多 1024（FD_SETSIZE） | 无限制 |
| 通知机制 | 轮询（遍历所有 fd） | 主动上报（中断） |
| 内存拷贝 | 每次调用都需用户↔内核拷贝 | 使用共享内存，减少拷贝 |
| 就绪 fd 定位 | 需要遍历整个集合 | 直接从 events 数组获取 |
| 跨平台性 | 跨平台（POSIX 标准） | 仅限 Linux |
| 适用场景 | fd 数量少，连接数不高 | 高并发服务器，大量连接 |

六、服务器并发模型

6.1 进程版本（多进程）

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| 原理：accept 后 fork() 创建子进程处理客户端关键点 1：僵尸进程回收 --- 用 signal(SIGCHLD, handle) + wait(NULL) 关键点 2：父进程关闭 conn，子进程关闭 listfd（文件描述符隔离）缺点：进程创建开销大（0~3G 用户空间），并发量有限 |

6.2 线程版本（多线程）

6.3 IO 多路复用版本（epoll + 循环服务器）

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| 原理：单线程用 epoll 监控 listfd 和所有 connfd - listfd 就绪 → accept 新连接 → 将 connfd 加入 epoll - connfd 就绪 → recv 数据 → 处理 → send 响应适用：高并发 Web Server、循环服务器 |

七、速查卡片

select 使用模板

epoll 使用模板

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| int epfd = epoll_create(1024); struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = listfd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listfd, &ev); struct epoll_event revs $64$ ; while (1) { int n = epoll_wait(epfd, revs, 64, -1); for (int i = 0; i < n; i++) { int fd = revs $i$ .data.fd; if (fd == listfd) { int conn = accept(listfd, NULL, NULL); ev.data.fd = conn; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn, &ev); } else { int ret = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0); if (ret <= 0) { epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL); close(fd); } else { send(fd, buf, ret, 0); } } } } |