I/O 多路复用详解笔记

I/O 多路复用笔记

什么是I/O多路复用

I/O多路复用（I/O Multiplexing）是一种**允许单个线程（或进程）监听多个I/O描述符（fd）**上是否就绪（可读/可写/异常）的方法。这种方式可以有效地管理多个I/O流，在高并发服务器场景下尤为重要。

应用场景

• 网络服务器（如HTTP、Chat服务器）
• 高并发Socket连接处理
• 事件驱动编程模型
• GUI事件循环
• Linux文件/管道/信号等I/O集中管理

阻塞、非阻塞、I/O复用对比

三种常见多路复用方式

1. select

• 最早的I/O多路复用方式
• 使用 fd_set 管理文件描述符集合
• 每次调用都需要重建集合，效率低
• 最大监听fd数受限（通常1024）

2. poll

• 支持任意fd数量（但仍需遍历）
• 使用 pollfd 数组存放监听项
• 没有fd上限，但效率也较低（O(n)）

3. epoll（Linux特有）

• 内核级支持的高效方式
• 支持事件通知机制
• 使用红黑树+链表管理事件
• 支持边缘触发（ET） 和 水平触发（LT）
• 适合大规模连接数的服务

epoll使用流程

int epfd = epoll_create(1); // 创建epoll对象

struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listenfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev); // 添加监听fd

struct epoll_event events[1024];
int n = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); // 等待事件发生

for (int i = 0; i < n; i++) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 可读事件处理
    }
}

ET 与 LT 模式比较

注意：ET模式下必须使用非阻塞I/O，并在事件触发时循环读写直到EAGAIN

epoll服务器示意

epfd = epoll_create(1);
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, ...);

while (1) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, 100, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int fd = events[i].data.fd;
        if (fd == listenfd) {
            int connfd = accept();
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, ...);
        } else {
            // 处理连接数据
        }
    }
}

性能比较总结

常见面试题及答案

select 和 epoll 有什么区别？

答：

epoll为什么比select/poll高效？

答：

• select/poll 每次调用都需遍历所有fd，复杂度为O(n)
• epoll 采用内核维护的红黑树/链表结构，注册后由内核监听，用户只需关注活跃事件
• epoll 使用事件驱动机制（epoll_wait 只返回就绪fd）
• 支持边缘触发（ET），避免重复通知，提高性能

epoll的LT和ET模式有何区别？ET模式下为什么要非阻塞？

答：

• LT模式：只要fd可读/可写，就会不断触发事件。适合新手，使用方便。
• ET模式：只有状态发生变化时才触发一次。高性能，但复杂，必须非阻塞并读/写完数据。
• 若ET模式下使用阻塞I/O，可能漏掉后续事件导致连接卡死。

epoll是如何实现通知的？

答：

• 内核中维护一棵红黑树保存监听fd，以及一个就绪链表。
• 当有I/O事件发生，内核把就绪fd放入链表中。
• epoll_wait 直接读取就绪链表，避免遍历。
• 用户空间与内核之间使用mmap共享内存，提升性能。

select/poll还有使用价值吗？

答：

有。尽管效率低，但由于：

• 跨平台（Windows也支持select）
• 简单易用，便于教学和调试

因此在一些小型项目或对性能要求不高的场合仍有使用场景。

总结

• I/O多路复用是高性能服务器编程的关键技术
• epoll 是Linux平台推荐使用的高效模型
• 精通 epoll 的使用及其 ET 模式是面试加分项
• 面试时注重原理+代码+比较+应用场景