IO复用详解——C/C++

IO复用

在Linux网络编程中，I/O复用是处理高并发连接的核心技术。它允许单个线程/进程同时监控多个文件描述符（如Socket）的可读/可写状态，避免为每个连接创建独立线程的资源浪费。以下是 select、poll 和 epoll 的详细对比与实现方法：

1. I/O复用核心概念

• 阻塞I/O：线程等待数据就绪，期间无法执行其他操作。
• 非阻塞I/O：轮询检查数据是否就绪，浪费CPU资源。
• I/O复用：通过系统调用统一监控多个I/O事件，仅处理就绪的I/O。

2. select

原理

• 使用**位图（fd_set）**表示监控的文件描述符集合。

  typedef struct {
      unsigned long fds_bits[FD_SETSIZE / (8 * sizeof(unsigned long))];
  } fd_set;
  

  • FD_SETSIZE
    是一个宏，定义了 fd_set 可容纳的最大文件描述符数量，默认值通常为 1024。

  • fds_bits

  • 每个文件描述符对应一个位。

  • 位为 1：表示文件描述符在集合中。

  • 位为 0：表示文件描述符不在集合中。

  宏	功能描述
  FD_ZERO(fd_set *set)	清空集合，将所有位设为 0。
  FD_SET(int fd, fd_set *set)	将文件描述符 fd 添加到集合中（对应位设为 1）。
  FD_CLR(int fd, fd_set *set)	从集合中移除文件描述符 fd（对应位设为 0）。
  FD_ISSET(int fd, fd_set *set)	检查 fd 是否在集合中，返回值为 1（存在）或 0（不存在）。

• 每次调用时需将所有fd集合从用户态拷贝到内核态，内核通过线性扫描判断就绪状态。

• 支持跨平台（Windows/Linux）。

代码示例

#include <sys/select.h>

int main() {
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);     // 清空集合
    FD_SET(sock_fd, &read_fds); // 添加sock_fd到监控集合

    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5;     // 超时时间5秒
    timeout.tv_usec = 0;

    // 调用select，监控可读事件
    int ret = select(sock_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
    if (ret > 0) {
        if (FD_ISSET(sock_fd, &read_fds)) {
            // 处理数据读取
        }
    }
}

优缺点

• 优点：跨平台兼容。
• 缺点：
  • 最大支持 FD_SETSIZE（通常1024）个文件描述符。
  • 每次调用需重置fd集合，存在内存拷贝开销。
  • 线性扫描效率低（时间复杂度O(n)）。

3. poll

原理

• 使用**结构体数组（pollfd）**替代select的位图，突破文件描述符数量限制。
• 仍需要遍历所有fd检查就绪状态。

代码示例

#include <poll.h>

int main() {
    struct pollfd fds[1];
    fds[0].fd = sock_fd;      // 监控的fd
    fds[0].events = POLLIN;   // 监控可读事件

    // 调用poll，超时时间5秒
    int ret = poll(fds, 1, 5000);
    if (ret > 0) {
        if (fds[0].revents & POLLIN) {
            // 处理数据读取
        }
    }
}

优缺点

• 优点：无文件描述符数量限制。
• 缺点：
  • 仍需遍历所有fd，效率随连接数线性下降。
  • 每次调用需传递完整的fd数组。

4. epoll（Linux特有）

原理

• 使用红黑树管理待监控的fd，事件驱动机制。
• **边缘触发（ET）和水平触发（LT）**两种模式。
  • LT模式（默认）：只要fd处于就绪状态，每次epoll_wait都会通知。
  • ET模式：仅当fd状态变化时通知一次，需一次性处理完数据。

代码示例

#include <sys/epoll.h>

int main() {
    int epoll_fd = epoll_create1(0); // 创建epoll实例
    struct epoll_event event;
    event.events = EPOLLIN;         // 监控可读事件
    event.data.fd = sock_fd;

    // 添加sock_fd到epoll监控
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &event);

    struct epoll_event events[10];
    // 等待事件，超时时间5秒
    int ret = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, 5000);
    if (ret > 0) {
        for (int i = 0; i < ret; i++) {
            if (events[i].data.fd == sock_fd) {
                // 处理数据读取
            }
        }
    }
}

优缺点

• 优点：
  • 支持海量连接（时间复杂度O(1)）。
  • 无需每次传递全部fd，通过事件回调机制高效通知。
• 缺点：仅适用于Linux系统。

5. 对比总结

6. 应用场景建议

• select/poll：低并发场景或需要跨平台时使用。
• epoll：Linux高并发服务器（如Web服务器、即时通讯）。
• Windows替代方案：IOCP（I/O Completion Ports）。

7. 注意事项

1. ET模式需一次性读取所有数据（循环读取直到EAGAIN错误）。
2. fd管理：epoll需手动管理fd的增删（EPOLL_CTL_ADD/DEL/MOD）。
3. 多线程：epoll实例本身非线程安全，需加锁或每个线程独立实例。

I/O复用技术是构建高性能服务器的关键！