IO 多路复用：select、poll、epoll 核心函数解析

摘要：IO 多路复用是高并发网络编程核心，本文聚焦select、poll、epoll三组核心系统调用，梳理函数接口、底层行为、优缺点与关键注意点，适合快速复习与面试。

前言

IO 分为两个阶段：等待事件就绪 、数据拷贝。IO 多路复用的作用：把多个文件描述符交给内核监控，fd 就绪后通知用户进程，单线程管理大量连接。

注意：IO 多路复用属于同步 IO ，数据拷贝依旧需要用户进程调用read/recv完成。

1 select

函数原型

cs 复制代码

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数

nfds：最大监听 fd + 1，内核扫描范围 0 ~ nfds‑1。
readfds/writefds/exceptfds：可读、可写、异常 fd 集合，位图fd_set。

内核会修改这三个集合：就绪位置 1，未就绪位清零。每次调用 select 前必须重新设置 fd_set。

timeout：超时时间，结构体本身会被 select 修改，每次调用需要重新赋值。
- NULL：永久阻塞；
- {0,0}：不阻塞，轮询一次直接返回。

返回值

0：就绪 fd 数量；
=0：超时；
<0：出错。

fd_set 操作宏

cs 复制代码

FD_ZERO(set);    //清空集合
FD_SET(fd, set); //添加fd
FD_CLR(fd, set); //删除fd
FD_ISSET(fd, set);//判断fd是否就绪

核心缺点

默认上限1024个 fd，受FD_SETSIZE限制；
每次调用，全部 fd 集合需要用户态↔内核态拷贝；
O (n) 轮询；返回后需要遍历全部 fd 判断就绪。

优点：跨平台兼容性好。

2 poll

函数原型

cs 复制代码

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int fd;
    short events;  //【入参】用户设置要监听的事件 POLLIN / POLLOUT
    short revents; //【出参】内核填充，标记已经发生的事件
};

参数

fds：pollfd结构体数组；events用户填写，内核只读；就绪事件写进revents。
nfds：数组有效元素个数。
timeout：超时，单位 ms；‑1永久阻塞，0立即返回。

返回值

0：就绪 fd 数量；
=0：超时；
<0：出错。

改进点

取消 1024 的 fd 上限，内核使用链表 + 动态数组存储；
events与revents分离，不需要每次重置监听事件。

遗留问题

O (n) 轮询全部 fd；
每次调用全量拷贝数组到内核；
返回后仍然要遍历整个数组查找就绪 fd。

select、poll 本质：内核挨个扫描所有 fd，不知道谁就绪。

3 epoll（Linux 专属，3 个系统调用）

epoll 由epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait共同工作；内核维护红黑树（保存监听 fd） 、就绪双向链表（保存就绪事件）。

① epoll_create 创建 epoll 实例

cs 复制代码

int epoll_create(int size);

size：历史遗留参数，现代内核忽略，传大于 0 即可。
返回 epoll 实例 fd；失败返回‑1。

作用：在内核创建红黑树、就绪链表。

② epoll_ctl 增删改监听 fd

cs 复制代码

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

struct epoll_event {
    uint32_t events;  // EPOLLIN可读，EPOLLOUT可写，EPOLLET边缘触发
    epoll_data_t data;//联合体，保存fd或者自定义指针
};

op操作：

EPOLL_CTL_ADD：添加 fd 到红黑树，注册回调；
EPOLL_CTL_MOD：修改已有 fd 的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从红黑树删除 fd。

关键：fd 就绪触发内核回调，直接把事件节点放入就绪链表，不轮询全部 fd。

③ epoll_wait 获取就绪事件

cs 复制代码

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

events：用户数组，内核将就绪事件拷贝到此；
maxevents：数组最大容量；
timeout：超时，单位 ms。

返回就绪事件的数量，用户直接遍历events数组拿到就绪 fd。

LT 水平触发 / ET 边缘触发

LT（默认，水平触发）：缓冲区有未读完数据，每次 epoll_wait 都会上报事件，编程简单。
ET（EPOLLET，边缘触发） ：仅状态变化瞬间上报一次。 ⚠️ET 硬性要求：fd 设置O_NONBLOCK非阻塞；循环读直到EAGAIN，否则残留数据不会再次通知。

epoll 优缺点

✅ 无 fd 上限；海量空闲连接性能高；仅拷贝就绪事件。

❌ 仅 Linux 支持；少量活跃连接场景，内核额外开销大。

函数简单对比

表格

接口	拷贝行为	时间复杂度	fd 上限	跨平台
select	每次全量拷贝 fd 集合	O(n)	默认 1024	是
poll	每次全量拷贝 pollfd 数组	O(n)	无	大部分平台
epoll	监听 fd 只拷贝一次，仅拷贝就绪事件	O (就绪数)	无	仅 Linux

高频简短考点

epoll 红黑树存待监听 fd；就绪链表存放已经就绪事件，epoll_wait只读取就绪链表。
ET 边缘触发必须非阻塞 + 循环读，否则会漏数据。
epoll 不是一定更快，大量活跃短连接场景 select/poll 可能更优。
IO 多路复用是同步 IO，数据拷贝仍然由用户进程调用 read 完成。