I/O多路复用

一.什么是I/O多路复用

核心思想：通过一个线程同时管理多个 Socket（文件描述符），在一个线程内同时检测 多个连接的状态（如是否可读/可写），从而实现高效的并发处理。在 Linux中，常见的 I/O 多路复用技术包括select、poll和epoll。

二.为什么要使用I/O多路复用

1.最基础的TCP Socket编程使用的是阻塞I/O模型:每次进行I/O操作（如读 写数据），调用的线程会被阻塞，直到操作完成为止。在这种模型下，一个线程 只能处理一个客户端的请求，也就是“一对一通信”。如果需要同时处理多个客户 \端连接，就必须为每个连接创建一个独立的线程或进程。当客户端数量很少时， 这种方式是可行的。但如果有成千上万个客户端（如 C10K问题，1万个并发客 户端连接），线程/进程的调度和资源占用（如内存）会成为瓶颈。

2.在传统的多线程/多进程模型中：每个客户端连接对应一个独立的线程或进程。 当有数据读写时，线程阻塞在对应的 Socket上，直到数据准备好。当客户端数 量很少时，这种方式是可行的，但如果有成千上万个客户端（如 C10K问题，1 万个并发客户端连接），线程/进程上下文切换开销会很大，且每个线程/进程都有一定的内存开销（如栈内存、线程控制块等），此时内存和调度开销的将变得不可接受。

三.select和poll的工作原理

1.select 实现多路复用的方式是，将已连接的Socket（文件描述符）都放到一个文件描述 符集合，然后调用select函数将文件描述符集合拷贝到内核里，让内核遍历整个文件描述 符集合，检测每个Socket的状态，如果某些Socket有事件（如数据到达或可写），内核会设置对应的状态。接着内核将检测结果（整个 Socket集合）拷贝回用户态，用户程序需要再次遍历整个集合，找到可读或可写的 Socket，对其处理。

缺点：需要进行2次「遍历」文件描述符集合，一次是在内核态里，一个次是在用户态里 ，而且还会发生2次「拷贝」文件描述符集合，先从用户空间传入内核空间，由内核修改后，再传出到用户空间中。

2.select和poll的区别:select使用固定长度的BitsMap，表示文件描述符集合，而且所支持的文件描述符的个数是有限制的，poll使用动态数组，以链表形式来组织，突破了select 的文件描述符个数限制，当然还会受到系统文件描述符限制。 但是 poll和select并没有太大的本质区别，都是使用「线性结构」存储进程关注的Socket集合，因此都需要遍历文件描述符集合来找到可读或可写的Socket，时间复杂度为O(n)，而且也需要在用户态与内核态之间拷贝文件描述符集合，这种方式随着并发数上来，性能的损耗会呈指数级增长。

3.epoll的工作原理

epoll的改进：

1. 高效的红黑树管理： epoll 在内核中使用红黑树存储待监控的Socket集合。 优势： 插入、删除、修改 Socket的时间复杂度为O(log n)。 相比于 select/poll每次都拷贝整个Socket集合， epoll 只需在第一次时添加到红黑树即可，无需重复拷贝，红黑树会一直维护这些描述符，直到显式地移除它们。

2. 事件驱动机制：epoll 使用事件驱动机制，即内核会监听事件的发生链表记录就绪事件： 内核会将发生事件的 Socket（如有数据到达或可写的Socket）通过回调函数加入到一个就绪链表中。应用程序只需要处理这个链表中的 Socket，无需遍历整个集合。

epoll支持两种事件触发模式：水平触发：默认模式，和select/poll一样。当被监控的Socket上有可读事件发生时，内核会一直通知应用程序，直到数据被read函数完全读取。边缘触发：当被监控的Socket描述符上有可读事件发生时，内核只会通知应用程序一 次，需要应用程序收到通知后尽可能一次读取完所有数据，以免错失读写机会。所以，程序会循环从socket中读写数据，那么如果文件描述符是阻塞的，没有数据可读写时，进程会阻塞在读写函数那里，程序就没办法继续往下执。所以，边缘触发模式一般和非阻塞I/O搭配使用。