【网络编程】—— IO多路复用

IO多路复用是一种单线程同时监测多个文件描述符IO状态的机制，主要包括select和epoll两种实现方式。select使用fd_set集合管理文件描述符，通过轮询方式检测就绪状态，但受限于1024个文件描述符且效率随数量增加下降。epoll则采用红黑树存储文件描述符，就绪事件主动上报，支持高并发且效率稳定。两者主要区别在于：select需要每次重置集合并轮询所有文件描述符，而epoll仅需处理就绪事件；select有1024的文件描述符限制，epoll则无此限制；select每次调用都需数据拷贝，epoll使用共享内存减少拷贝开销。epoll在高并发场景下性能优势明显，而select适用于简单低并发场景。

一、基本概念

1.定义：

单线程或者单进程同时监测若干个文件描述符是否可以执行IO操作的能力（一种IO事件的通知机制）

2.应用场景：

应用程序通常需要处理来自多事件流中的事件，例如电脑需要同时处理键盘的输入、多种信号的中断等（单个执行体中需要监测多个阻塞设备）

3.并发：

逻辑控制流在时间上的重叠叫并发。

4.使用并发处理的成本：

1）线程/进程创建成本

2）CPU切换不同线程/进程成本

3）多线程的资源竞争

5）IO多路复用的优点

5.多路复用和并发的区别

二、IO模型

1.阻塞IO

最常用的默认设置

2.非阻塞IO

3.信号驱动IO

4.并行模型

5.IO多路复用

三、select 和 epoll

1.select

1）定义：

select 是 Linux 系统中传统的 I/O 多路复用技术，核心是通过fd_set 集合管理待监听的文件描述符（fd），程序调用 select 后，内核会轮询集合内所有 fd，判断是否就绪（可读 / 可写），就绪的 fd 会保留在集合中，程序需遍历所有 fd 识别就绪的 fd 并处理。

2）使用步骤：

• 定义两个集合变量：先定义两个 fd_set 类型的集合（如 tmp_set 和 rd_set），tmp_set 用于存储 “需要监听的所有 fd”（原始集合），rd_set 用于接收 “select 返回的就绪 fd”（就绪集合）。
• 清空原始集合：调用 FD_ZERO(&tmp_set) 清空原始集合，避免集合中残留旧的 fd 数据导致监听异常。
• 添加待监听的 fd：调用 FD_SET(fd, &tmp_set) 将需要监听的 fd（如 0 = 键盘输入、udpfd=UDP 套接字）逐个添加到 tmp_set 中。
• 确定最大 fd 值：找出所有待监听 fd 中的最大值（记为 maxfd），后续 select 调用需要用到 maxfd + 1 作为参数。
• 重置就绪集合并调用 select：每次循环中先执行 rd_set = tmp_set（因为 select 会修改集合，需用原始集合重置），再调用 select(maxfd + 1, &rd_set, NULL, NULL, NULL) 阻塞等待 fd 就绪（仅监听读事件，写 / 异常集合填 NULL，永久阻塞则超时参数填 NULL）。
• 遍历判断就绪 fd：遍历从 0 到 maxfd 的所有 fd，调用 FD_ISSET(fd, &rd_set) 判断当前 fd 是否在就绪集合中。
• 处理就绪 fd：对判断为 “就绪” 的 fd 执行对应操作（如 fd=0 则处理键盘输入，udpfd 则处理数据接收）。
• 循环重复监听：处理完本轮就绪 fd 后，回到步骤 5，继续下一轮的 select 监听，直到程序退出。

3）相关函数：

4）注意：

• maxfd 必须 + 1：select 第一个参数是 “最大 fd 值 + 1”，比如监听 0 和 udpfd（假设 = 3），则 nfds=4，否则无法监听最大的 fd，select集合最多可以监测的文件描述符数为1024；
• 集合必须重置：每次循环需执行rd_set = tmp_set，因为 select 会把未就绪的 fd 从集合中清空；
• fd 数量限制：默认最多监听 1024 个 fd，无法支持高并发场景；
• 如果是超时版本的select，在调用select之前必须要重新设置时间；
• 效率问题：即使只有 1 个 fd 就绪，也需遍历 0~maxfd，fd 越多效率越低；
• 资源释放：程序退出前需关闭监听的 fd（如 udpfd），避免资源泄露。
  

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2.epoll

1）定义：

epoll 是 Linux 系统下高性能的 I/O 多路复用技术，核心是通过内核维护的（epfd 集合）存储待监听 fd，当 fd 就绪时，内核会将就绪 fd主动上报到「就绪数组（rev 数组）」，程序只需遍历就绪数组处理 fd，无需轮询所有 fd，效率远高于 select。

2）使用步骤：

• 创建 epoll 实例：调用 epoll_create(int size)（或新版 epoll_create1(0)）创建 epoll 集合（内核层面是红黑树），返回一个 epoll 实例的 fd（记为 epollfd），用于标识这个集合（参数 size 现在失效，填任意正数如 10 即可）。
• 定义事件结构体并配置监听事件：定义 struct epoll_event 类型的变量（如 ev），设置 ev.events = EPOLLIN（表示监听读事件，契合 UDP / 键盘场景的核心需求），并将 ev.data.fd 赋值为待监听的 fd（如 0 或 udpfd），绑定 fd 与监听事件。
• 添加 fd 到 epoll 集合：调用 epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) 将配置好监听事件的 fd 添加到 epoll 集合中（如需删除 fd，将第二个参数改为 EPOLL_CTL_DEL 即可）。
• 定义就绪事件数组并调用 epoll_wait：定义 struct epoll_event 类型的数组（如 events[10]，即老师笔记中的 rev 数组），调用 epoll_wait(epollfd, events, 10, -1) 阻塞等待 fd 就绪（参数 10 是一次最多接收的就绪事件数，-1 表示永久阻塞），返回值 nfds 是本次就绪的 fd 数量。
• 遍历就绪数组识别 fd：遍历从 0 到 nfds – 1 的就绪数组下标，通过 events[i].data.fd 识别出当前就绪的 fd（无需遍历所有 fd，仅处理就绪的）。
• 处理就绪 fd：对识别出的就绪 fd 执行对应操作（如 fd=0 处理键盘输入，udpfd 处理数据接收）。
• 循环重复监听：处理完本轮就绪 fd 后，回到步骤 4，继续下一轮的 epoll_wait 监听，直到程序退出。
• 释放资源（退出前）：程序退出时，调用 close(epollfd) 关闭 epoll 实例，同时关闭监听的 fd（如 udpfd），避免内核资源泄露。

3）相关函数：

4）注意：

• 事件类型：UDP / 键盘场景只需关注 EPOLLIN（读事件），写事件（EPOLLOUT）仅需发送大量数据时使用；
• 存储文件描述符集合的个数不再受1024的限制
• ev.data.fd 一致性：添加 fd 时，event->data.fd必须等于目标 fd，否则无法识别哪个 fd 就绪；
• 高并发适配：监测机制是主动上报，fd 数量越多，epoll 效率优势越明显（select 会急剧变慢）；
• 使用共享内存，避免了集合在用户层和内核层多次复制；
• 当eopll_wait返回后，准备就绪的文件描述符都存储在events集合中，相对容易查找；
• 资源释放：退出前需同时关闭 epfd 和监听的 fd（如 udpfd）。

3.select 和 epoll 的区别