Linux/POSIX 多路IO复用

多路复用IO概念

如何管理 fd 的可读可写事件？

IO 多路：指同时对多个文件进行读写操作。大体有两种方案：

1. 阻塞IO模式

   • 一个线程只能处理一个流的IO事件

   • 缺点：若线程数增多性能会变差

     多个线程处理多个IO（浪费CPU资源，效率低）—— 单个线程while循环。

while(true) {
   
    select(stream[]);
    for (i->stream[]) {
   
        if i has data {
   
            read data until unavailable
        }
    }
}

2. 多路复用IO。复用是指：使用一个线程处理多个文件fd的读写 的模式。

   • 让每一个 fd 觉得，当前线程只在给他一个fd跑腿。

   • 要尽可能的少的空转，要把所有的时间都用在处理句柄的 IO 上。

为了实现上诉的功能，内核提供了 3 种系统调用 ：select，poll，epoll。

系统调用

select poll epoll比较

相同：这 3 种系统调用都能够管理 fd 的可读可写事件，

• 所有 fd 不可读不可写时，阻塞线程切走 cpu
• 存在 fd 可读写时，唤醒对应线程。

适用场景：

• select/poll：适合连接数少、跨平台需求或兼容性要求高的场景。

  • 优先选择 poll：在多数现代场景中，poll 的灵活性（无 fd 数量限制、独立事件设置）更优。

  • 仅在特定场景用 select：如兼容性要求、极低并发且需多事件监控，或依赖剩余超时时间时。

• 高并发场景选 epoll/kqueue：若在 Linux 下，直接使用 epoll；BSD 系用 kqueue，彻底超越 select/poll。适合 Linux 下高并发、长连接的服务器（如 Web 服务器、实时通信系统）。短连接频繁的场景可能因频繁调用 epoll_ctl 影响性能。

特性	select	poll	epoll
文件描述符数量限制	有（1024）	无（基于链表实现）	无
内核实现	基于轮询（polling），内核遍历 fd 检查状态。	基于轮询：同select	基于回调（事件驱动）
遍历效率	低（O(n) 遍历）返回后需遍历fd检查状态。	低：同select	高（O(1) 回调）
拷贝开销	开销大：每次调用都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态。	开销大：同select	开销小：在内核中维护了一个事件表。
数据拷贝	每次复制 fd 集合	每次复制 fd 数组	内核维护事件表，无需全拷贝
可移植性	POSIX 标准，跨平台	POSIX 标准，跨平台	Linux 特有
触发模式	水平触发（LT）	水平触发（LT）	水平触发(LT)、边缘触发(ET)

水平触发(LT)、边缘触发(ET)

• 水平触发是只要fd处于就绪状态，每次调用都会通知；
• 边缘触发只在状态变化时通知一次，需要程序处理完所有数据，否则可能丢失事件。

epoll

简介

总而言之，epoll是

• linux内核提供的一种系统调用，性能好于另外两个系统调用 poll，select。

• 用于处理IO 多路复用（管理 fd 的可读可写事件）

  • 在所有 fd 不可读不可写无所事事的时候，可以阻塞线程，切走 cpu

  • fd 可读写的时候，对应线程会被唤醒

使用事件驱动的方式，当某个fd就绪时，内核会采用回调机制直接将该fd加入到就绪列表，不需要每次都扫描所有fd。epoll_wait返回时只提供就绪的事件。会把哪个流发生的什么样的IO事件进行通知，时间复杂度O(1)，对流的操作都是有意义的

while(true) {
   
	active_stream[] = epoll_wait();
    for i in active_stream[] {
   
        read or write till unavailable
    }
}

epoll 的使用

使用 epoll 需要以下三个系统调用：

//头文件
#include <sys/epoll.h>

// 创建一个epoll句柄，size用来告诉内核需要监听的数目
int epoll_creat(int size);
// epoll的事件注册函数
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct