操作系统中的I/O多路复用（I/O Multiplexing）

1. 问题描述

I/O多路复用是一种让单个进程能够同时监控多个I/O流（如网络套接字、文件描述符）的机制。当某个流可读或可写时，进程会收到通知并处理对应的I/O操作。其核心目的是解决传统阻塞I/O或轮询方式中资源浪费的问题，提高并发效率。

典型场景：

• 服务器需要同时处理多个客户端连接（如Web服务器）；
• 避免为每个连接创建线程/进程的开销（如C10K问题）。

2. 传统I/O模型的局限性

（1）阻塞I/O

• 进程调用read()等函数时，若数据未就绪，进程会一直阻塞，无法处理其他连接。
• 缺点：无法同时处理多路I/O。

（2）非阻塞I/O + 轮询

• 将文件描述符设为非阻塞模式，进程循环调用read()检查数据是否就绪。
• 缺点：CPU时间浪费在无意义的轮询上。

（3）多进程/多线程

• 每个连接分配一个线程/进程，通过阻塞I/O处理。
• 缺点：线程/进程创建和上下文切换成本高，资源消耗大。

3. I/O多路复用的工作原理

核心思想：

• 将多个I/O流的监控委托给操作系统内核，内核检测到某个流就绪后，通知进程进行读写。
• 进程通过单一线程统一管理所有I/O事件，避免盲目轮询。

关键系统调用：

• select()、poll()、epoll()（Linux）、kqueue()（BSD）。

4. 常见I/O多路复用实现

（1）select

步骤：

1. 进程创建一个文件描述符集合（fd_set），包含所有待监控的流（如套接字）。
2. 调用select，将集合传递给内核，并设置超时时间。
3. 内核遍历所有描述符，检查是否有数据就绪（可读/可写/异常）。
4. 返回时，select修改集合，仅保留就绪的描述符，进程再遍历集合处理就绪流。

缺点：

• 集合大小有限制（如1024）；
• 每次调用需重复传递整个集合；
• 内核和用户空间均需遍历所有描述符，效率低。

（2）poll

改进：

• 使用pollfd结构体数组代替固定大小的集合，解除数量限制。
• 仍需要遍历所有描述符，但支持动态扩容。

缺点：

• 大量空闲连接时，遍历效率仍低下。

（3）epoll（Linux特有）

核心优化：

1. 无需重复传递描述符：通过epoll_create创建上下文，epoll_ctl添加/删除监控的描述符。
2. 事件驱动：内核通过回调机制仅通知就绪的流，无需遍历全部描述符。
3. 就绪列表：调用epoll_wait时直接返回就绪的事件数组。

工作模式：

• 水平触发（LT）：只要流可读/可写，持续通知；
• 边缘触发（ET）：仅当状态变化时通知一次，要求进程一次性处理完数据。

优势：

• 时间复杂度O(1)，适合高并发场景。

5. 示例：epoll的典型流程

// 1. 创建epoll实例  
int epfd = epoll_create1(0);  

// 2. 添加监控的描述符  
struct epoll_event ev;  
ev.events = EPOLLIN;  // 监控可读事件  
ev.data.fd = sockfd;  
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);  

// 3. 等待事件就绪  
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];  
while (1) {  
    int nready = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);  
    for (int i = 0; i < nready; i++) {  
        if (events[i].events & EPOLLIN) {  
            // 处理可读流  
            read(events[i].data.fd, buffer, size);  
        }  
    }  
}  

6. 对比与适用场景

适用场景：

• select/poll：连接数少、跨平台需求；
• epoll/kqueue：高并发Linux/BSD服务器。

7. 总结

I/O多路复用通过内核通知机制将I/O阻塞转化为事件处理，实现了单线程高效管理多路I/O。其演进过程（select → poll → epoll）体现了对性能瓶颈的持续优化，是现代高并发服务器的基石技术之一。