I/O 多路复用 (I/O Multiplexing)

一、核心概念

1.1 定义与本质

I/O 多路复用 是指单线程或单进程能够同时监测多个文件描述符（File Descriptor, FD），并判断哪些描述符已经就绪、可以执行I/O操作的能力。

本质：用更少的系统资源（避免线程/进程创建开销、上下文切换成本、资源竞争）完成更多事件流的并发处理。

1.2 作用与背景

典型场景：

• 操作系统需要同时处理键盘/鼠标输入、中断信号等事件流

• Web服务器（如Nginx）需要同时处理来自成千上万个客户端的连接请求

并发本质：多条逻辑控制流在时间上相互重叠（通过CPU时分复用实现）

传统并发方案的缺点：

• 线程/进程创建开销大

• CPU上下文切换成本高

• 多线程资源竞争问题复杂

二、五种I/O模型详解

2.1 阻塞I/O（Blocking I/O）

核心特性：当I/O操作无法立即完成时，进程/线程会挂起等待，直到数据准备就绪。

FIFO管道通信示例：

写端代码：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>int main() {// 创建命名管道if (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}// 以只写模式打开FIFO（阻塞等待读端连接）int fd = open("myfifo", O_WRONLY);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}while (1) {char buf[] = "hello, this is fifo test...\n";write(fd, buf, strlen(buf) + 1);sleep(3); // 每3秒写一次}close(fd);return 0;
}

读端代码：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>int main() {// 创建命名管道if (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}// 以只读模式打开FIFO（阻塞等待写端连接）int fd = open("myfifo", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}while (1) {char buf[512] = {0};read(fd, buf, sizeof(buf)); // 阻塞读取printf("fifo: %s", buf);// 从终端读取输入fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("terminal: %s", buf);}close(fd);return 0;
}

特点：

• 简单易用，但无法同时处理多事件流

• FIFO管道特性：无对端连接时open()阻塞

2.2 非阻塞I/O（Non-blocking I/O）

核心特性：通过fcntl()设置O_NONBLOCK标志，使I/O操作立即返回（无数据时返回EAGAIN错误）。

代码示例：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>int main() {// 创建FIFOif (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}int fd = open("myfifo", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}// 设置非阻塞模式int flags = fcntl(fd, F_GETFL);fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 设置标准输入为非阻塞flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);while (1) {char buf[512] = {0};// 非阻塞读管道ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));if (n > 0) {printf("fifo: %s\n", buf);} else if (n == -1 && errno != EAGAIN) {perror("read error");break;}// 非阻塞读终端if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL) {printf("terminal: %s", buf);}usleep(100000); // 避免CPU占用过高}close(fd);return 0;
}

特点：

• 避免单个I/O操作阻塞整个进程

• 需要轮询检查数据就绪状态（忙等待）

• 通过errno == EAGAIN判断无数据

2.3 信号驱动I/O（Signal-driven I/O）

核心特性：设置O_ASYNC标志，当I/O就绪时内核发送SIGIO信号。

配置步骤：

1. 添加异步标志：fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC)

2. 设置信号接收者：fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())

3. 注册信号处理函数：signal(SIGIO, handler)

代码示例：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>int fd; // 全局文件描述符void sigio_handler(int sig) {char buf[512] = {0};read(fd, buf, sizeof(buf));printf("fifo: %s\n", buf);
}int main() {signal(SIGIO, sigio_handler);// 创建FIFOif (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}fd = open("myfifo", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}// 配置信号驱动I/Oint flags = fcntl(fd, F_GETFL);fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());while (1) {char buf[512] = {0};// 处理其他任务fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("terminal: %s", buf);}close(fd);return 0;
}

特点：

• 通过信号机制异步通知I/O就绪

• 避免轮询开销，但信号处理函数限制多

• 实际应用较少

2.4 多进程/多线程并发

核心机制：

• 进程：fork()创建子进程处理独立事件流

• 线程：pthread_create()创建线程共享内存空间

局限性：

• 资源开销大（创建/销毁成本高）

• 上下文切换消耗CPU资源

• 需处理同步/互斥问题

2.5 I/O多路复用（I/O Multiplexing）

核心价值：单线程内高效监控多个文件描述符的状态变化。

三、I/O多路复用技术详解

3.1 select模型

函数原型：

c#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

关键宏：

• FD_ZERO(fd_set *set) - 清空集合

• FD_SET(int fd, fd_set *set) - 添加描述符

• FD_CLR(int fd, fd_set *set) - 移除描述符

• FD_ISSET(int fd, fd_set *set) - 检查是否就绪

示例代码：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>int main() {// 创建FIFOif (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}int fd = open("myfifo", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}fd_set readfds, tmpfds;FD_ZERO(&readfds);FD_ZERO(&tmpfds);// 监控标准输入和FIFOFD_SET(STDIN_FILENO, &tmpfds);FD_SET(fd, &tmpfds);int maxfd = (fd > STDIN_FILENO) ? fd : STDIN_FILENO;while (1) {readfds = tmpfds;// 等待事件if (select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL) == -1) {perror("select error");break;}char buf[512] = {0};// 检查FIFO是否就绪if (FD_ISSET(fd, &readfds)) {read(fd, buf, sizeof(buf));printf("fifo: %s\n", buf);}// 检查标准输入是否就绪if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("terminal: %s", buf);}}close(fd);return 0;
}

局限性：

• 描述符数量限制（FD_SETSIZE=1024）

• 每次调用需传递整个描述符集合

• 返回后需遍历所有描述符检查就绪状态（O(n)复杂度）

3.2 epoll模型（高性能方案）

核心函数：

• epoll_create(int size) - 创建epoll实例

• epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) - 管理描述符

• epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout) - 等待事件

示例代码：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>int main() {// 创建FIFOif (mkfifo("myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo error");return 1;}int fd = open("myfifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);if (fd == -1) {perror("open error");return 1;}// 创建epoll实例int epfd = epoll_create1(0);if (epfd == -1) {perror("epoll_create1 error");close(fd);return 1;}// 添加监控描述符struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = fd;if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl error");close(fd);close(epfd);return 1;}ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = STDIN_FILENO;if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl error");close(fd);close(epfd);return 1;}struct epoll_event events[2];while (1) {// 等待事件int nfds = epoll_wait(epfd, events, 2, -1);if (nfds == -1) {perror("epoll_wait error");break;}for (int i = 0; i < nfds; i++) {if (events[i].data.fd == fd) {char buf[512] = {0};read(fd, buf, sizeof(buf));printf("fifo: %s\n", buf);} else if (events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {char buf[512] = {0};fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("terminal: %s", buf);}}}close(fd);close(epfd);return 0;
}

优势：

• 无描述符数量限制

• 事件就绪时直接返回就绪列表（O(1)复杂度）

• 用户/内核空间共享内存（避免数据拷贝）

• 支持水平触发（LT）和边沿触发（ET）模式

四、select vs poll vs epoll 对比

特性	select	poll	epoll
描述符上限	FD_SETSIZE(1024)	无硬限制	无硬限制
性能复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
数据拷贝	每次调用全量拷贝	每次调用全量拷贝	共享内存
事件返回方式	修改输入集合	填充就绪数组	返回就绪列表
触发模式	水平触发	水平触发	支持水平/边沿触发
适用场景	小规模连接(<1000)	中等规模连接	高并发场景

关键结论：

• epoll在高并发场景下性能显著优于select/poll

• epoll优势前提：监听大量描述符 + 每次仅少量事件就绪

五、TCP服务器应用实例

5.1 基于select的TCP服务器

#include <netinet/in.h>     // 定义网络地址结构(如sockaddr_in)及字节序转换函数(如htons)
#include <netinet/ip.h>     // IP协议相关定义(本程序未实际使用)
#include <stdio.h>          // 标准输入输出函数(如printf、perror)
#include <stdlib.h>         // 标准库函数
#include <string.h>         // 字符串处理函数(如bzero、strlen、sprintf)
#include <sys/socket.h>     // 套接字相关函数(如socket、bind、listen、accept)
#include <sys/types.h>      // 基本系统数据类型
#include <time.h>           // 时间相关函数(如time、ctime)
#include <unistd.h>         // 系统调用函数(如close)
#include <sys/select.h>     // 提供select函数及文件描述符集相关定义typedef struct sockaddr *(SA);  // 将struct sockaddr*简化为SAint main(int argc, char **argv)
{// 创建监听套接字：AF_INET(IPv4协议)，SOCK_STREAM(TCP流式套接字)，0(默认协议)int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (-1 == listfd) {perror("scoket error\n");  // 套接字创建失败return 1;}// 定义服务器和客户端的地址结构并初始化struct sockaddr_in ser, cli;bzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));// 设置服务器地址信息ser.sin_family = AF_INET;                  // 使用IPv4协议ser.sin_port = htons(50000);               // 绑定端口50000ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;          // 绑定到本机所有可用IP地址// 将监听套接字与服务器地址绑定int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser));if (-1 == ret) {perror("bind");return 1;}// 将套接字设为监听状态listen(listfd, 3);socklen_t len = sizeof(cli);// 1. 初始化文件描述符集fd_set rd_set, tmp_set;FD_ZERO(&rd_set);FD_ZERO(&tmp_set);// 2. 向临时集合添加初始监听的文件描述符(监听套接字listfd)FD_SET(listfd, &tmp_set);int maxfd = listfd;      // 记录当前最大文件描述符time_t tm;while (1){rd_set = tmp_set;  // 恢复监听集合// 调用select监听可读事件select(maxfd + 1, &rd_set, NULL, NULL, NULL);// 遍历所有可能的文件描述符for (int i = 0; i < maxfd + 1; i++){// 若事件来自监听套接字listfd(新客户端连接请求)if (FD_ISSET(i, &rd_set) && i == listfd){// 接受客户端连接int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len);if (-1 == conn) {perror("accept");close(conn);continue;}// 将新连接的套接字添加到监听集合FD_SET(conn, &tmp_set);// 更新最大文件描述符if (conn > maxfd) {maxfd = conn;}}// 若事件来自已连接的客户端套接字if (FD_ISSET(i, &rd_set) && i != listfd){int conn = i;char buf[1024] = {0};// 接收客户端发送的数据int ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);if (ret <= 0) {printf("client offline\n");FD_CLR(conn, &tmp_set);close(conn);continue;}// 获取当前时间戳time(&tm);// 将接收的数据与当前时间拼接sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm));// 将拼接后的数据回发给客户端send(conn, buf, strlen(buf), 0);}}}close(listfd);return 0;
}

5.2 基于epoll的TCP服务器

#include <netinet/in.h>   // 提供Internet地址族相关定义
#include <netinet/ip.h>   // 提供IP协议相关定义
#include <stdio.h>        // 标准输入输出函数
#include <stdlib.h>       // 标准库函数
#include <string.h>       // 字符串处理函数
#include <sys/epoll.h>    // epoll相关函数
#include <sys/socket.h>   // 套接字相关函数
#include <sys/types.h>    // 基本系统数据类型
#include <time.h>         // 时间相关函数
#include <unistd.h>       // Unix标准函数
typedef struct sockaddr *(SA);  // 简化sockaddr指针类型/*** 向epoll实例中添加文件描述符* @param epfd epoll实例的文件描述符* @param fd 要添加的文件描述符* @return 0表示成功，1表示失败*/
int add_fd(int epfd, int fd)
{struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;    // 关注读事件ev.data.fd = fd;        // 绑定要监控的文件描述符// 向epoll实例添加文件描述符及对应的事件int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);if (-1 == ret){perror("add fd");return 1;}return 0;
}/*** 从epoll实例中删除文件描述符* @param epfd epoll实例的文件描述符* @param fd 要删除的文件描述符* @return 0表示成功，1表示失败*/
int del_fd(int epfd, int fd)
{struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = fd;// 从epoll实例中删除文件描述符int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);if (-1 == ret){perror("add fd");  // 原代码错误信息，应为"del fd"return 1;}return 0;
}int main(int argc, char **argv)
{// 创建监听套接字（IPv4协议，字节流服务，默认TCP协议）int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (-1 == listfd){perror("scoket error\n");return 1;}// 定义服务器和客户端的地址结构体struct sockaddr_in ser, cli;bzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;                // 使用IPv4地址族ser.sin_port = htons(50000);             // 设置端口号ser.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;        // 绑定到所有可用网络接口// 将监听套接字与服务器地址绑定int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser));if (-1 == ret){perror("bind");return 1;}// 开始监听listen(listfd, 3);socklen_t len = sizeof(cli);// 1. 创建epoll实例struct epoll_event rev[10];  // 用于存放epoll_wait返回的就绪事件int epfd = epoll_create(10);if (-1 == epfd){perror("epoll_creaete");  // 原代码拼写错误return 1;}// 2. 将监听套接字添加到epoll实例中add_fd(epfd, listfd);time_t tm;while (1){// 等待epoll实例中的事件就绪int ep_ret = epoll_wait(epfd, rev, 10, -1);// 遍历所有就绪事件for (int i = 0; i < ep_ret; i++){// 如果是监听套接字就绪，表示有新的客户端连接请求if (rev[i].data.fd == listfd){// 接受客户端连接int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len);if (-1 == conn){perror("accept");close(conn);continue;}// 将新的连接套接字添加到epoll实例中add_fd(epfd, conn);}else  // 其他就绪事件，为客户端连接套接字的读事件{int conn = rev[i].data.fd;char buf[1024] = {0};// 从连接套接字接收数据int ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);if (ret <= 0){del_fd(epfd, conn);close(conn);continue;}// 获取当前时间戳time(&tm);// 将接收的数据与当前时间拼接sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm));// 将拼接后的数据发送回客户端send(conn, buf, strlen(buf), 0);}}}close(listfd);return 0;
}

六、核心回顾

6.1 多路I/O复用

• 定义：系统提供的I/O事件通知机制

• 应用场景：单进程中需要处理多个阻塞I/O，希望及时知道哪个设备可读写

6.2 I/O模型对比

模型	核心特点	适用场景
阻塞I/O	默认模式，进程挂起等待数据就绪	简单场景，单事件流
非阻塞I/O	设置O_NONBLOCK，立即返回+EAGAIN	需避免阻塞但可接受忙等
信号驱动I/O	O_ASYNC+SIGIO信号通知	特殊场景（较少使用）
多进程/线程	进程/线程处理独立事件流	中小规模并发
多路复用	单线程监控多个描述符	高并发场景

6.3 select vs epoll 关键区别

1. 描述符数量：

   • select：固定上限（通常1024）

   • epoll：仅受系统限制

2. 检测机制：

   • select：轮询所有描述符（O(n)）

   • epoll：事件驱动主动上报（O(1)）

3. 数据拷贝：

   • select：每次调用全量拷贝用户/内核空间

   • epoll：共享内存（仅首次拷贝）