网络编程卡壳？五种IO模型+select/poll一篇讲透，搞懂网络编程核心，阻塞/多路复用不再懵！

文章目录

• 本篇摘要
• 一· 五种IO模型介绍：
• • **1. 阻塞IO（Blocking IO, BIO）**
  • **2. 非阻塞IO（Non-blocking IO, NIO）**
  • **3. IO多路复用（Multiplexed IO）**
  • **4. 信号驱动IO（Signal Driven IO, SIGIO）**
  • **5. 异步IO（Asynchronous IO, AIO）**
  • `相关概念认识`
  • • 同步通信 vs 异步通信
    • 阻塞 vs 非阻塞
    • 对比
  • **一句话总结**
  • 其他高级IO拓展（了解）
  • • 小结：
• 二.非阻塞IO之fcntl
• • `fcntl` 函数基本信息
  • `fcntl` 函数的 5 种主要功能
  • **通过 `fcntl` 设置非阻塞模式**
  • `基于fcntl函数简单测试`
  • • 测试思路
    • 效果展示
    • 源码展示
• 三. 多路转接之select
• • `select相关函数介绍`
  • select代码编写测试（基于tcp实现echo回显）
  • • 设计思路
    • 测试效果
    • 源码汇总
  • **select缺点**
• 四.多路转接之poll
• • poll相关函数介绍
  • • **函数原型**
    • **核心参数**
    • **返回值**
    • **核心事件宏（`events`/`revents`）**
    • **使用步骤**
    • 操作流程：
  • poll代码编写测试（基于tcp实现echo回显）
  • • 设计思路
    • 测试效果
    • 源码汇总
  • **`特点与适用场景`**
  • • poll的优点
    • poll的缺点
    • <font color="#DC3545" size="5" face="楷体"> **典型场景（相比epoll落后）**
  • **与 `select` 的对比**
• 五.本篇小结

本篇摘要

• 本篇将介绍五种IO模型，以及对其中多路转接IO的select，poll进行介绍，使用，总结等。

一· 五种IO模型介绍：

1. 阻塞IO（Blocking IO, BIO）

• 核心特点：应用程序发起IO操作（如读/写）后，线程会被“卡住”，直到IO完成（数据到达/发送完毕）。

• 工作流程：

• 总结：简单但低效，适合单连接、低并发场景（如早期客户端程序），所有套接字默认都是阻塞IO。

2. 非阻塞IO（Non-blocking IO, NIO）

• 核心特点：应用程序发起IO操作后，函数立即返回（不会阻塞线程），但需主动轮询检查数据是否就绪，非阻塞IO:如果内核还未将数据准备好,系统调用仍然会直接返回，并且返叵EWOULDBLOCK错误码。

• 工作流程：

• 总结：避免线程阻塞，但需频繁轮询（浪费CPU），适合短连接或对延迟敏感的场景。

3. IO多路复用（Multiplexed IO）

• 核心特点：通过一个系统调用监控多个文件描述符（FD），当任意一个FD就绪（数据可读/写）时，内核通知应用程序处理。

• 代表实现：select（老）、poll（改进）、epoll（高性能，Linux专属）。

• 工作流程：

• 总结：用“单线程管多个连接”，大幅提升并发能力（如Nginx、Redis用epoll）。

4. 信号驱动IO（Signal Driven IO, SIGIO）

• 核心特点：应用程序通过信号（Signal） 通知内核“监控某个FD”，当数据就绪时，内核发送信号触发应用程序处理。

• 工作流程：

• 总结：异步通知，但信号可能丢失或延迟，实际应用较少（仅适合特定场景）。

5. 异步IO（Asynchronous IO, AIO）

• 核心特点：应用程序发起IO操作后，内核全程完成数据拷贝，完成后主动通知应用程序（无需线程干预）。

• 工作流程：

• 总结：完全异步，“发起即忘”，效率最高（适合高并发、大文件传输等场景，如Windows的IOCP）。

因此对应信号驱动IO以及异步IO区别：信号驱动是数据准备好了，告诉用户自己调用接口从内核态拷贝到用户态，而异步是直接让内核拿到数据后拷贝到用户态完成才进行通知用户。

相关概念认识

同步通信 vs 异步通信

阻塞 vs 非阻塞

对比

• 同步/异步：描述“IO操作由谁执行”（自己干 vs 别人干）。
• 阻塞/非阻塞：描述“等待时线程是否被挂起”（卡住 vs 不卡住）。
• 二者独立：同步操作可能阻塞或非阻塞（如同步非阻塞需轮询），异步操作通常搭配非阻塞（避免卡死）。

一句话总结

从“干等”（阻塞）到“轮询”（非阻塞），再到“监控多个”（多路复用），最后到“内核代劳”（异步），IO模型逐步解决“线程效率”和“并发能力”的矛盾。

其他高级IO拓展（了解）

小结：

这些高级 IO 主要解决 效率、并发控制、资源利用 问题，常结合使用（如 epoll + 非阻塞 IO + mmap），适用于高并发、高性能场景。

二.非阻塞IO之fcntl

fcntl 函数基本信息

fcntl 函数的 5 种主要功能

通过 fcntl 设置非阻塞模式

基于fcntl函数简单测试

测试思路

• 将标准输入（键盘）设置为非阻塞模式，通过无限循环持续尝试读取输入：有数据时输出内容；无数据时因EAGAIN/EWOULDBLOCK提示“没有数据”并休眠1秒；若被信号中断（EINTR）则提示后继续循环；其他错误则提示错误，最终实现非阻塞读取标准输入的功能。

效果展示

• 标准输入流没输入就打印没有数据，否则打印输入的数据。

源码展示

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
using std::cout;
using std::endl;
void set_nonblock(int fd)
{
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);
}

int main()
{

set_nonblock(0);
while (1)
{
char buf[1024];
int n = read(0, buf, sizeof(buf));
if (n > 0)
{
buf[n – 1] = 0;
cout << buf << endl;
}

else if (n < 0)
{ //无论是读取失败还对方的接收缓冲区没有数据最后都是n==-1因此三种情况区分！
cout<<n<<endl;
if (errno == EINTR)
{
cout << "被打断了" << endl;
continue;
}
else if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
{ sleep(1);
cout << "没有数据" << endl;
//虽然IO效率没有提高，可以在等待的时间做自己想做的事情！
continue;
}

else
{

cout << "出错了" << endl;
continue;
}
}
}
return 0;
}

三. 多路转接之select

select相关函数介绍

• 结构体含tv_sec（秒）和tv_usec（微秒）字段。
• 若为NULL：阻塞等待；若字段全为0：非阻塞（立即返回）。

使用流程：

select代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

• 拿着select进行文件描述符的就绪监测(包括istenfd以及给用户开的普通的fd);当select等待到事件就绪就进行为新的连接开辟fd或者对普通fd的读写操作等;这里只检测读事件默认写都是就络的;但是select会更改输入参数，导致每次都要动态维护需要监测的fd，然后对d集合进行调整;因此这里采取一个数组来动态维护再进行fd集合的填充(新连接来或者有客户退出进行d数组的更新)。

测试效果

• 成功连接，为新的连接开辟新的fd。

• 普通的fd进行的读事件就绪，进行正常读取。

• 客户端退出，对应fd的读事件就绪（里面被写入了类似文件结尾的标志，读取后直接关闭这个fd，移除监测集合中对应的位置)。

源码汇总

点我速看源码

select缺点

四.多路转接之poll

poll解决了select的部分问题，主要体现在两方面：

poll相关函数介绍

poll 是 Linux 系统中用于 I/O 多路复用的系统调用，用于监控多个文件描述符（FD）的状态变化，避免单线程阻塞等待 I/O。以下是其核心用法总结：

函数原型

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

核心参数

如下：

#include <poll.h>
struct pollfd {
int fd;
short events;
short revents;
};

• 监控的文件描述符列表，每个元素包含三部分信息：
  • fd：要监控的文件描述符（如套接字、文件等）。
  • events：感兴趣的事件（通过宏定义指定，如 POLLIN、POLLOUT 等）。
  • revents：实际发生的事件（由内核填充，调用后检查该字段判断状态）。

返回值

• < 0：发生错误（需检查 errno）。
• = 0：超时（无任何事件发生）。
• > 0：就绪的文件描述符数量（fds 中 revents 非零的元素个数）。

核心事件宏（events/revents）

使用步骤

操作流程：

poll代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

这里只需要把对应的之前用数组维护的fd集合改成维护这个struct pollfd结构体数组，对结构体里面的变量进行初始化，更新，判断等操作即可。

测试效果

同上面没啥区别。

源码汇总

点我速看源码

特点与适用场景

poll的优点

poll的缺点

典型场景（相比epoll落后）

• 网络服务器（监控多个客户端连接）。
• 同时处理文件和网络 I/O 的程序。

与 select 的对比

• poll 使用数组存储 FD，无数量上限（取决于内存），而 select 使用 fd_set（通常限制为 1024）。
• poll 的事件模型更清晰（通过位掩码区分事件），select 需重置 fd_set。

通过合理使用 poll，可以实现高效的 I/O 多路复用，避免单线程阻塞导致的性能瓶颈。

五.本篇小结

• 本篇带大家简略认识五种常见的IO模型以及多路转接复用的select及poll的接口的使用，也看到了有点与缺点，基于poll略胜一筹，但是还是比不上epoll，因此，下篇介绍epoll独特之处。