I/O多路复用技术（multiplexing）

最新推荐文章于 2025-09-24 09:17:56 发布

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本文介绍了I/O多路复用技术的基本概念及工作原理，并以Redis服务器的实现为例，详细阐述了如何利用非阻塞socket和系统调用（如select/poll/epoll）来高效处理多个socket的读写事件。

I/O多路复用技术（multiplexing）是什么？

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I/O多路复用技术（multiplexing）是

antirez/redis · GitHub

关于I/O多路复用(又被称为“事件驱动”)，首先要理解的是，操作系统为你提供了一个功能，当你的某个socket可读或者可写的时候，它可以给你一个通知。这样当配合非阻塞的socket使用时，只有当系统通知我哪个描述符可读了，我才去执行read操作，可以保证每次read都能读到有效数据而不做纯返回-1和EAGAIN的无用功。写操作类似。操作系统的这个功能通过select/poll/epoll/kqueue之类的系统调用函数来使用，这些函数都可以同时监视多个描述符的读写就绪状况，这样，多个描述符的I/O操作都能在一个线程内并发交替地顺序完成，这就叫I/O多路复用，这里的“复用”指的是复用同一个线程。

以select和tcp socket为例，所谓可读事件，具体的说是指以下事件：
1 socket内核接收缓冲区中的可用字节数大于或等于其低水位SO_RCVLOWAT;
2 socket通信的对方关闭了连接，这个时候在缓冲区里有个文件结束符EOF，此时读操作将返回0；
3 监听socket的backlog队列有已经完成三次握手的连接请求，可以调用accept；
4 socket上有未处理的错误，此时可以用getsockopt来读取和清除该错误。

所谓可写事件，则是指：
1 socket的内核发送缓冲区的可用字节数大于或等于其低水位SO_SNDLOWAIT；
2 socket的写端被关闭，继续写会收到SIGPIPE信号；
3 非阻塞模式下，connect返回之后，发起连接成功或失败；
4 socket上有未处理的错误，此时可以用getsockopt来读取和清除该错误。

Linux环境下，Redis数据库服务器大部分时间以单进程单线程模式运行(执行持久化BGSAVE任务时会开启子进程)，网络部分属于Reactor模式，同步非阻塞模型，即非阻塞的socket文件描述符号加上监控这些描述符的I/O多路复用机制（在Linux下可以使用select/poll/epoll）。服务器运行时主要关注两大类型事件：文件事件和时间事件。文件事件指的是socket文件描述符的读写就绪情况，时间事件分为一次性定时器和周期性定时器。相比nginx和haproxy内置的高精度高性能定时器，redis的定时器机制并不那么先进复杂，它只用了一个链表来管理时间事件，而且目前链表也没有对各个事件的到点时间进行排序，也就是说，每次都要遍历链表检查每个事件是否需要到点执行。个人猜想是因为redis目前并没有太多的定时事件需要管理，redis以数据库服务器角色运行时，定时任务回调函数只有位于redis/src/redis.c下的serverCron函数，所有的定时任务都在这个函数下执行，也就是说，链表里面其实目前就一个节点元素，所以目前也无需实现高性能定时器。

Redis网络事件驱动模型代码：redis/src/目录下的ae.c, ae.h, ae_epoll.c, ae_evport.c, ae_select.c, ae_kqueue.c , ae_evport.c。其中ae.c/ae.h:头文件里定义了描述文件事件和事件时间的结构体，即aeFileEvent和aeTimeEvent；事件驱动状态结构体aeEventLoop, 这个结构体只有一个名为eventloop的全局变量在整个服务器进程中；事件就绪回调函数指针aeFileProc和aeTimeProc；以及操作事件驱动模型的各种API（aeCreateEventLoop以及之后全部的函数声明）。ae_epoll.c, ae_select.c, ae_keque.c和ae_evport.c封装了select/epoll/kqueue等系统调用，Linux下当然不支持kqueue和evport。至于究竟选择哪一种I/O多路复用技术，在ae.c里有预处理控制，也就是说，这些源文件只有一个能最后被编译。优先选择epoll或者kqueue(FREEBSD和Mac OSX可用)，其次是select。

redis事件驱动整体流程：redis服务器main函数位于文件redis/src/redis.c, 事件驱动入口函数位于main函数的倒数第三行：