Linux的io多路复用

Linux的io多路复用

  1. 什么是多路io复用
    在利用socketTCP通信的时候,会有两个地方阻塞,一个是accept()监听时,还有一个是recv()接收数据时。监听是监听新客户端的连接,因为无法判断什么时间会有客户端连接,所以这个函数要一个线程实时监听。接收数据是在监听到一个客户端连接后,要随时接收此客户端发来的信息,所以也需要一个线程实时监听。在不使用任何其他技术的前提下,这种情况就只能使用一个主线成+n个线程来完成实时监听,这样无疑是浪费资源的。
    在这里插入图片描述
    于是就引入了多路io复用技术。上面的问题就是无法判断什么时候客户端会发送数据,所以服务器每个线程对应的recv要一直判断。多路io复用是用一个线程来判断所有的客户端是否有消息发送,如果有就将这些客户端对应的socket放到一个队列,供编程人员进行下一步操作。
    在这里插入图片描述
  2. 3种多路io复用技术及优缺点
    - select
    在这里插入图片描述
    优点:
    1. 跨平台
    2. 代码简单,易于维护
    3. 时间精度高,用于特殊场景
    缺点:
    4. 轮询监听socket是否有时间发生,浪费CPU资源
    5. 最大监听上线为1024个socket,因为是轮询,所以不能监听太多socket防止不能及时响应消息。
    6. 只返回就绪数量,需要用户轮序查看具体是哪些有事件发生。
    7. select每一次监听都需要将监听队列重新加载到监听队列,浪费不必要的拷贝开销
    - poll
    优点:
    1. 突破了1024的监听数量限制
    2. 就绪事件与监听事件分离
    缺点:
    1. 与select缺点差不多,性能没有优化
    - epoll
    - 在这里插入图片描述
    epoll是在Linux系统下开发大型项目最常用的技术,它的检测事件发生机制是通过回调的方式检测的,从而避免了轮询查看每个监听的socket是否有事件发生,这就使得多路io复用从本质上解决的监听socket数量上的上线。在只考虑并发连接数上,就只是单纯的epoll就能监听百万级的连接数。
  • epoll的工作机制
    1. epoll是通过红黑树来管理这些监听的socket节点,为了加快节点的查询和删除操作。
    2. 当监听的socket有事件发生,那么对应的socket节点会通过回调机制添加到就绪队列中。
### Linux I/O 多路复用实现方式 #### 一、Select 方法概述 `select` 是一种早期的多路I/O复用技术,在POSIX标准中有定义,因此被广泛应用于多种操作系统中。该方法允许程序监视多个文件描述符的状态变化,一旦某个描述符准备好进行读取或写入操作,则立即通知应用程序处理相应事件[^1]。 ```c #include <sys/select.h> // 使用 select 函数监控多个套接字连接状态 fd_set readfds; FD_ZERO(&readfds); FD_SET(sockfd, &readfds); struct timeval timeout = {0}; timeout.tv_sec = 5; // 设置超时时间为五秒 if (select(sockfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout) > 0){ if(FD_ISSET(sockfd,&readfds)){ // sockfd 可读 } } ``` #### 二、Poll 方法介绍 `poll` 提供了与 `select` 类似的功能,但是其接口设计更加灵活,可以处理更多的文件描述符数量限制问题。通过传递一个包含待监测项列表给内核来工作,从而避免了像 `select` 那样每次调用都需要重新构建整个集合的问题[^2]。 ```c #include <poll.h> struct pollfd fds[2]; fds[0].fd = sock_fd_1; fds[0].events = POLLIN; fds[1].fd = sock_fd_2; fds[1].events = POLLOUT; int ret = poll(fds, 2, TIMEOUT_MS); for(int i=0;i<ret;++i){ switch(i){ case 0: // 对应sock_fd_1可读的情况 break; case 1: // 对应sock_fd_2可写的状况 break; } } ``` #### 三、Epoll 方案解析 作为Linux特有的高效I/O多路复用方案,`epoll` 改进了传统 `select/poll` 存在的一些性能瓶颈。它采用基于事件驱动的方式,并且能够在内核层面保存大量监听对象的信息,减少了不必要的上下文切换开销,提高了系统的整体效率[^3]。 ```c #include <sys/epoll.h> #define MAX_EVENTS 10 int epollfd = epoll_create(1); struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS]; ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; ev.data.fd = listen_sock; epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev); while(true){ int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1); for(int n = 0;n<nfds;++n){ if(events[n].data.fd == listen_sock){ accept_connection(); }else{ handle_data_available_on_socket(events[n].data.fd); } } } ``` #### 四、Kqueue 技术说明 虽然不是Linux原生特性,但在类Unix系统上也存在另一种高效的I/O多路复用机制——kqueue。此方法不仅能够有效地管理网络通信中的各种异步事件,还支持文件系统变更跟踪等功能,适用于更广泛的场景下[^4]。
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