Linux 网络编程：IO 多路复用

一、TCP 并发服务器模型：多线程

多线程可以实现 TCP 并发：每来一个客户端，就创建一个子线程专门处理该客户端通信。

缺点

每个线程要独占独立栈内存，连接数量上限有限，大量并发客户端，系统有崩溃风险。
线程切换会带来 CPU 开销。

优化方案 ：使用线程池，预先创建一批线程，复用线程，避免频繁创建销毁线程。

二、4 种 IO 模型

1. 阻塞 IO

没有数据的时候，CPU 把任务挂起，任务不占用 CPU，等待数据就绪后再返回。

优点：编码简单；缺点：一个线程只能处理一个 IO，无法同时处理多个连接。

2. 非阻塞 IO

没有数据时，函数不会阻塞，直接返回；用户代码要不停循环轮询，反复调用 IO 函数检查数据是否到来。

缺点：CPU 空转，消耗大量 CPU 资源。

3. 信号驱动 IO（异步 IO）

将文件描述符设置为异步 IO，向进程注册信号事件。
内核监测 fd，当 IO 事件发生，内核发送 SIGIO 信号通知用户进程。
用户程序写信号捕获函数，在回调里面读写数据。

缺点：信号处理框架不好控制，实际网络开发很少用。

4. IO 多路复用

核心：一个进程 / 线程，同时监听一堆文件描述符，哪个 fd 有事件就绪就处理哪个。

主流三种实现：select、poll、epoll。

三、select

工作原理

select 监听一组文件描述符集合；集合中只要至少一个 fd 产生事件，select 就解除阻塞。它会原地修改 fd 集合：保留发生事件的 fd，把没有事件的 fd 从集合清掉。

fd_set 集合操作宏

函数	作用
`FD_ZERO(fd_set *set)`	清空集合，全部置 0
`FD_SET(int fd, fd_set *set)`	把 fd 加入集合
`FD_CLR(int fd, fd_set *set)`	把 fd 从集合移除
`FD_ISSET(int fd, fd_set *set)`	判断 fd 是否还在集合中（是否发生事件）

select 函数原型

c 复制代码

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

nfds：最大文件描述符值 + 1
readfds：读事件集合；writefds：写事件集合；exceptfds：异常事件集合
timeout：超时时间。传 NULL 代表永久阻塞等待

返回值

> 0：就绪 fd 的总数量
-1：出错
0：超时时间到，没有任何事件

select 缺点

fd 集合有最大上限，默认 1024；
每次调用都会修改集合，循环调用前必须重新 FD_ZERO、FD_SET；
返回后需要循环遍历全部 fd 判断 FD_ISSET；
用户态和内核态之间，每次调用都要拷贝整个 fd 集合。

四、epoll（Linux 高性能 IO 多路复用）

epoll 把事件表放在内核，不需要每次调用都拷贝全部 fd，适合高并发海量连接。

1. epoll_create

c 复制代码

int epoll_create(int size);

参数 size：早期版本提示事件表大小，现在已经被忽略，填大于 0 数字即可
返回值：成功返回 epoll 的文件描述符 epfd；失败返回 -1

作用：在内核创建 epoll 事件表。

2. epoll_ctl

向内核事件表增、删、改监听的 fd 和事件。

c 复制代码

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

epfd：epoll_create 返回的句柄
op 操作类型
- EPOLL_CTL_ADD：向事件表添加 fd
- EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册 fd 的监听事件
- EPOLL_CTL_DEL：从事件表删除 fd
fd：要操作的文件描述符
event：绑定这个 fd 的事件

c 复制代码

struct epoll_event {
    uint32_t events;      // EPOLL_IN / EPOLL_OUT / EPOLLET
    epoll_data_t data;    // 用户自定义数据，一般存 fd
};

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

常用事件：

EPOLLIN：读事件，有数据可读
EPOLLOUT：写事件，可以发送数据
EPOLLET：边沿触发模式，默认是水平触发

3. epoll_wait

阻塞等待事件就绪。

c 复制代码

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

epfd：epoll 句柄
events：输出参数，内核把发生事件存到这个数组
maxevents：events 数组最大元素个数
timeout：毫秒，-1 代表永久阻塞

返回值

> 0：就绪事件数量，就是需要处理的连接个数
0：超时，没有事件
-1：出错

epoll 两种触发模式

水平触发 LT（默认）：只要缓冲区有数据，epoll_wait 就反复通知。
边沿触发 ET：只有状态发生变化那一刻通知一次；必须一次性把缓冲区数据全部读完，否则不会再次提醒。

epoll 优势

没有 1024 连接上限；
不需要每次传入全部 fd，内核维护事件表；
epoll_wait 直接拿到就绪事件数组，不用遍历全部 fd；
海量空闲连接下性能远高于 select。

五、简单对比小结

模型	优点	缺点
select	跨平台，简单	上限 1024，每次拷贝集合，需要遍历所有 fd
epoll	高性能，海量连接	Linux 专属，接口略复杂