I/O 多路复用器（select、poll、epoll）与 Reactor 模式详解

I/O 多路复用器（select、poll、epoll）与 Reactor 模式详解

1. I/O 多路复用器（Multiplexer）

I/O 多路复用器允许一个线程同时监控多个文件描述符（fd），并在它们就绪时进行读写操作。常见的三种多路复用器是 select、poll、epoll。

特性	select	poll	epoll
工作原理	轮询所有 fd	轮询所有 fd	事件驱动（回调）
最大 fd 数量	1024（固定）	无限制（系统资源限制）	无限制（系统资源限制）
效率	O(n)，遍历所有 fd	O(n)，遍历所有 fd	O(1)，仅处理就绪 fd
适用场景	fd 数量少且活跃度高	fd 数量较多但活跃度一般	fd 数量大且活跃度低
内存拷贝	每次调用需拷贝 fd 集合	每次调用需拷贝 fd 数组	仅注册一次，无额外拷贝
触发模式	水平触发（LT）	水平触发（LT）	支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）

总结：

• select：适用于 fd 数量少（≤1024）且活跃比例高的场景，如小型服务器。
• poll：适用于 fd 数量较多但活跃比例一般的场景，相比 select 无数量限制。
• epoll：适用于高并发场景（fd 数量大且活跃比例低），如 Nginx、Redis。

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2. Reactor 模式

Reactor 模式是一种 事件驱动 的设计模式，用于高效处理大量并发 I/O 请求。它基于 I/O 多路复用器（如 epoll）实现，核心思想是 “事件分发 + 回调”。

Reactor 的核心组件：

1. Reactor（反应器）：
   • 负责监听 I/O 事件（如 epoll_wait）。
   • 当事件就绪时，分发给对应的处理器（Handler）。
2. Handler（事件处理器）：
   • 处理具体的事件（如 accept、read、write）。
   • 通常以回调函数的形式注册到 Reactor 中。
3. Demultiplexer（多路复用器）：
   • 底层使用 select/poll/epoll 监听 fd 状态。
   • 当 fd 就绪时，通知 Reactor。

Reactor 的工作流程：

1. 注册事件处理器：
   • 应用程序向 Reactor 注册 fd 及其对应的事件处理器（Handler）。
   • 例如：监听 socket 注册 EPOLLIN 事件，回调 accept_handler。
2. 事件循环（Event Loop）：
   • Reactor 调用 epoll_wait 等待事件发生。
   • 当某个 fd 就绪时，Reactor 根据事件类型调用对应的 Handler。
3. 处理事件：
   • Handler 执行具体的业务逻辑（如读取数据、发送响应）。
   • 处理完成后，可以继续注册新的事件（如 EPOLLOUT 写事件）。

Reactor 的优点：

• 单线程高并发：一个线程可以处理成千上万的连接。
• 低资源消耗：避免多线程的上下文切换开销。
• 事件驱动：只处理就绪的 fd，不浪费 CPU 时间。

Reactor 的缺点：

• 编程复杂度高：需要管理回调函数和事件状态。
• 不适合 CPU 密集型任务：长时间的计算会阻塞事件循环。

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3. Reactor 与多路复用器的关系

• Reactor 是模式，epoll 是实现：
  • Reactor 是一种设计模式，定义了事件分发和处理的框架。
  • epoll 是 Linux 提供的 I/O 多路复用机制，用于实现 Reactor 的事件监听部分。
• Reactor 可以基于不同的多路复用器：
  • 可以用 select、poll 或 epoll 作为 Reactor 的底层 Demultiplexer。
  • 但 epoll 是最适合 Reactor 的高性能实现，因为它的事件驱动机制与 Reactor 完美契合。

示例：Reactor + epoll 的工作流程

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4. 总结

概念	作用	适用场景
select	轮询所有 fd，简单但效率低	fd 数量少（≤1024），活跃度高
poll	改进版 select，无数量限制	fd 数量较多，活跃度一般
epoll	事件驱动，高效处理高并发	fd 数量大（>1024），活跃度低
Reactor	事件驱动框架，基于多路复用器	高并发服务器（Nginx、Redis）

结论：

• 小型服务器（连接数少）：select 或 poll 足够。
• 高并发服务器（连接数多）：epoll + Reactor 是最佳选择。
• Reactor 模式 的核心是 事件驱动 + 回调，epoll 是其最佳搭档。