什么是IO多路复用（I/O Multiplexing）

IO多路复用（I/O Multiplexing） 是一种高效管理多个输入/输出流的技术，核心目标是用单线程或少量线程同时监听多个IO事件（如网络连接、文件读写），避免为每个IO操作创建独立线程或进程的开销。以下是深入解析：

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一、为什么需要IO多路复用？

• 传统阻塞IO的缺陷：每个IO操作阻塞一个线程，大量并发时需创建大量线程（资源浪费，如内存、CPU上下文切换）。
• 非阻塞IO的不足：轮询所有IO状态（持续检查是否有数据可读/写）会导致CPU空转，效率低下。
• 多路复用的优势：单线程监听多个IO事件，仅在数据就绪时处理，最大化资源利用率。

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二、IO多路复用的工作原理

1. 核心流程：

   • 注册监听：将多个IO描述符（如Socket）注册到内核的监听列表。
   • 事件等待：通过系统调用（如select/poll/epoll）阻塞等待，直到至少一个IO事件就绪（如可读、可写或异常）。
   • 事件处理：遍历就绪的IO描述符，执行对应操作（如读取数据或发送响应）。

2. 类比理解：

   餐厅服务员模型：一个服务员（单线程）同时监听多张餐桌（IO事件）。当某桌客人举手（数据就绪）时，服务员才去服务，而不是不断轮询每张桌子。

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三、IO多路复用的实现方式

技术	原理	优点	缺点
select	遍历所有注册的IO描述符，检查是否就绪。	跨平台支持（Windows/Linux）。	1. 最多监听1024个描述符；<br>2. 每次调用需重置监听集合；<br>3. 线性扫描效率低。
poll	使用链表存储IO描述符，突破select的数量限制。	无描述符数量限制。	仍需遍历所有描述符，效率随数量增加下降。
epoll（Linux特有）	基于事件驱动，仅返回就绪的IO描述符。	1. 时间复杂度O(1)；<br>2. 支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）模式。	仅适用于Linux系统。
kqueue（BSD/macOS）	类似epoll，基于事件通知。	高性能，支持复杂事件类型。	仅适用于BSD系系统。

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四、应用场景

1. 高并发服务器：Web服务器（如Nginx）、实时通信系统（如WebSocket）处理成千上万客户端连接。
2. 文件传输工具：同时监控多个文件描述符的读写状态。
3. 数据库连接池：高效管理多个数据库请求。
4. 实时数据流处理：监听多个传感器或数据源输入。

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五、代码示例（Linux epoll）

#include <sys/epoll.h>

// 1. 创建epoll实例

int epoll_fd = epoll_create1(0);

// 2. 注册Socket到epoll


struct epoll_event event;


event.events = EPOLLIN;  // 监听可读事件


event.data.fd = socket_fd;

epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, socket_fd, &event);


// 3. 等待事件就绪

struct epoll_event events[MAX_EVENTS];


int num_ready = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);


// 4. 处理就绪事件

for (int i = 0; i < num_ready; i++) {



    if (events[i].events & EPOLLIN) {

        // 读取数据

        read(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer));

    }

}
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六、IO多路复用 vs 多线程/多进程

方案	资源占用	并发能力	复杂度
多线程/进程	高（内存、上下文切换）	受限于线程数	需处理同步问题（锁、死锁）
IO多路复用	低（单线程）	支持数万并发	需处理事件驱动逻辑

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七、核心优势总结

1. 资源高效：单线程处理大量IO，减少内存和CPU开销。
2. 低延迟：仅处理就绪的IO事件，避免无意义轮询。
3. 可扩展性：适用于高并发场景（如百万级连接）。

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理解关键：IO多路复用是用同步的方式实现异步的效果，本质仍是同步IO（需主动读取数据），但通过内核事件通知机制大幅提升效率。