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如何通俗的理解操作系统的IO多路复用

news 2025/8/29 7:26:43

下面用“一个服务员照看很多桌子”的比喻起步，然后迅速落到技术细节。

一句话直观印象

传统阻塞 I/O = “一桌配一服务员”。
I/O 多路复用 = “一个服务员盯着大厅里所有桌子的呼叫灯（就绪事件），哪桌亮灯就先去服务”。

为什么需要

连接很多、单个连接大多时间在等数据。
省线程：避免“一连接一线程”的内存占用与上下文切换。
统一调度：一个事件循环就能管理成千上万的 socket/文件描述符（fd）。

它在内核里做了什么（本质）

进程把一批 fd 注册给内核，请求“当其中任意一个就绪时叫我一声”。
内核把这些 fd 加入监视结构（如 epoll 的红黑树 + 就绪链表）。
当驱动/协议栈把数据推到缓冲区，内核把对应 fd 标记为可读/可写，并放到就绪队列。
用户态调用 select/poll/epoll_wait/kqueue“睡下”，队列非空就被唤醒，拿到就绪 fd 清单，随后尽可能把缓冲区一次性读干/写尽。

常见接口与复杂度（简表）

select：位图，fd 上限受 FD_SETSIZE，每次 O(N) 扫描。
poll：数组，无上限但仍 O(N) 扫描。
epoll（Linux）：就绪列表，回调驱动，平均 O(就绪数)。大规模连接首选。
kqueue（BSD/macOS）：与 epoll 类似，语义更广。
IOCP（Windows）：完成模型（completion），直接投递完成事件。
io_uring（Linux）：提交/完成环，更多真正的异步 I/O，减少系统调用开销；可替代部分“多路复用 + 同步 I/O”的用法。

就绪模型 vs 完成模型

就绪（readiness）：告诉你“可以读/写了”，还需要你去读/写（epoll、kqueue）。
完成（completion）：告诉你“我已经帮你读/写完了”（IOCP、io_uring 的部分操作）。
就绪模型简单易控；完成模型在磁盘 I/O、大量小 I/O 时更省切换。

触发方式（epoll 为例）

水平触发（LT）：只要缓冲区里还有数据，每次 epoll_wait 都会再通知。简单但唤醒偏多。
边沿触发（ET）：状态由“不可读→可读”才触发一次，必须把数据循环读到 EAGAIN，否则会饿死后续事件，唤醒更少、吞吐更高。

与“多线程 + 阻塞 I/O”的差别

多路复用把“等待”集中到少量线程；CPU 花在处理就绪事件，而不是大量线程的调度切换。
适合大量长连接、低至中等吞吐的网络场景；否则可搭配线程池处理重计算任务。

典型事件循环（Go 伪码，epoll + 非阻塞套接字）

fd := socketNonBlocking()
ep := epollCreate()
epollCtl(ep, EPOLL_CTL_ADD, fd, EPOLLIN|EPOLLET) // 边沿触发更省唤醒buf := make([]byte, 64*1024)
for {nReady, events := epollWait(ep, timeout)for i := 0; i < nReady; i++ {ev := events[i]if ev.Readable() {for {n := read(ev.FD, buf)if n > 0 { handleRead(buf[:n]) }else if n == 0 { close(ev.FD); break }          // 对端关闭else if errno == EAGAIN { break }                // 数据读干净else { handleError(); break }}}if ev.Writable() {for hasPending() {n := write(ev.FD, nextChunk())if n < 0 && errno == EAGAIN { wantWrite(ev.FD); break }if n < 0 { handleError(); break }}if !hasPending() { disableWriteInterest(ev.FD) }}}
}

要点：