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1 概念

IO多路复用(IO Multiplexing) 是一种同步IO模型，在单个进程/线程内就可以同时处理多个IO请求。一个进程/线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路一般是指网络连接，复用指的是同一个进程/线程。
一个进程/线程虽然任一时刻只能处理一个请求，但是处理每个请求的事件时，耗时控制在 1 毫秒以内，这样 1 秒内就可以处理上千个请求，把时间拉长来看，多个请求复用了一个进程/线程，这就是多路复用，这种思想很类似一个 CPU 并发多个进程，所以也叫做时分多路复用。

2. IO多路复用的出现

2.1 阻塞IO

在最初的操作系统中，只有BIO模式，即阻塞IO。通常代码如下：

listenfd = socket();   // 打开一个网络通信端口
bind(listenfd);        // 绑定
listen(listenfd);      // 监听
while(1) {
  connfd = accept(listenfd);  // 阻塞建立连接
  int n = read(connfd, buf);  // 阻塞读数据
  doSomeThing(buf);  // 利用读到的数据做些什么
  close(connfd);     // 关闭连接，循环等待下一个连接
}

在调用read函数时，线程会被阻塞，这就造成了程序无法响应其他socket的请求连接。为了解决这个问题，很多工程师都采用accept一个操作后，就去创建一个新的线程，在新的线程中去做read操作：

while(1) {
  connfd = accept(listenfd);  // 阻塞建立连接
  pthread_create（doWork);  // 创建一个新的线程
}
void doWork() {
  int n = read(connfd, buf);  // 阻塞读数据
  doSomeThing(buf);  // 利用读到的数据做些什么
  close(connfd);     // 关闭连接，循环等待下一个连接
}

但这并不是真正的非阻塞IO，只不过用了多线程的手段使得主线程没有卡在read函数上而已。操作系统为我们提供的redad函数仍然是阻塞的。流程图如下：

这就是传统的阻塞 IO。但是，线程资源毕竟是有限的，所以这种方式无法满足需要处理大量IO请求的场景。

2.2 非阻塞IO

后来操作系统提供了非阻塞的 read 系统调用。这个 read 函数的效果是，如果没有数据到达时（到达网卡并拷贝到了内核缓冲区），立刻返回一个错误值（-1），而不是阻塞地等待。代码如下：

fcntl(connfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
int n = read(connfd, buffer) != SUCCESS);

这里我们要注意到一个细节：

非阻塞的 read，指的是在数据到达前，即数据还未到达网卡，或者到达网卡但还没有拷贝到内核缓冲区之前，这个阶段是非阻塞的。

当数据已到达内核缓冲区，此时调用 read 函数仍然是阻塞的，需要等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，才能返回。整体流程如下图：

2.3 IO 多路复用

2.3.1 select

elect 是操作系统提供的系统调用函数，通过它，我们可以把一个文件描述符的数组发给操作系统， 让操作系统去遍历，确定哪个文件描述符可以读写， 然后告诉我们去处理。select系统调用的函数定义如下：

//select函数接口
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
 
#define FD_SETSIZE 1024
#define NFDBITS (8 * sizeof(unsigned long))
#define __FDSET_LONGS (FD_SETSIZE/NFDBITS)
 
// 数据结构 (bitmap)
typedef struct {
    unsigned long fds_bits[__FDSET_LONGS];
} fd_set;

int select(
    int nfds,
    fd_set *readfds,
    fd_set *writefds,
    fd_set *exceptfds,
    struct timeval *timeout);
// nfds:监控的文件描述符集里最大文件描述符加1
// readfds：监控有读数据到达文件描述符集合，传入传出参数
// writefds：监控写数据到达文件描述符集合，传入传出参数
// exceptfds：监控异常发生达文件描述符集合, 传入传出参数
// timeout：定时阻塞监控时间，3种情况
//  1.NULL，永远等下去
//  2.设置timeval，等待固定时间
//  3.设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询

FD_ZERO(int fd, fd_set* fds)   // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set* fds)    // 将给定的描述符加入集合
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds)  // 判断指定描述符是否在集合中 
FD_CLR(int fd, fd_set* fds)    // 将给定的描述符从文件中删除  

//selec使用示例
int main() {
  /*
   * 这里进行一些初始化的设置，
   * 包括socket建立，地址的设置等,
   */
 
  fd_set read_fs, write_fs;
  struct timeval timeout;
  int max = 0;  // 用于记录最大的fd，在轮询中时刻更新即可
 
  // 初始化比特位
  FD_ZERO(&read_fs);
  FD_ZERO(&write_fs);
 
  int nfds = 0; // 记录就绪的事件，可以减少遍历的次数
  while (1) {
    // 阻塞获取
    // 每次需要把fd从用户态拷贝到内核态
    nfds = select(max + 1, &read_fd, &write_fd, NULL, &timeout);
    // 每次需要遍历所有fd，判断有无读写事件发生
    for (int i = 0; i <= min(max, nfds); ++i) {
      if (i == listenfd) {
         --nfds;
         // 这里处理accept事件
         FD_SET(i, &read_fd);//将客户端socket加入到集合中
      }
      if (FD_ISSET(i, &read_fd)) {
        --nfds;
        // 这里处理read事件
      }
      if (FD_ISSET(i, &write_fd)) {
         --nfds;
        // 这里处理write事件
      }
    }
  }

可以看出几个细节：

1. select 调用需要传入 fd 数组，需要拷贝一份到内核，高并发场景下这样的拷贝消耗的资源是惊人的。（可优化为不复制）
2. select 在内核层仍然是通过遍历的方式检查文件描述符的就绪状态，是个同步过程，只不过无系统调用切换上下文的开销。（内核层可优化为异步事件通知）
3. select 仅仅返回可读文件描述符的个数，具体哪个可读还是要用户自己遍历。（可优化为只返回给用户就绪的文件描述符，无需用户做无效的遍历）
   整个 select 的流程图如下:
   

2.3.2 poll

poll 也是操作系统提供的系统调用函数。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_tnfds, int timeout);

struct pollfd {
  intfd; /*文件描述符*/
  shortevents; /*监控的事件*/
  shortrevents; /*监控事件中满足条件返回的事件*/
};

它和 select 的主要区别就是，去掉了 select 只能监听 1024 个文件描述符的限制。

2.3.3 epoll

epoll 是最终的大 boss，它解决了 select 和 poll 的一些问题。

epoll 主要针对三点进行了改进：
1. 内核中保存一份文件描述符集合，无需用户每次都重新传入，只需告诉内核修改的部分即可。
2. 内核不再通过轮询的方式找到就绪的文件描述符，而是通过异步 IO 事件唤醒。
3. 内核仅会将有 IO 事件的文件描述符返回给用户，用户也无需遍历整个文件描述符集合。

操作系统提供了这三个函数：

//epoll函数接口
#include <sys/epoll.h>
 
// 数据结构
// 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体
// 用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件
// epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可
struct eventpoll {
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
};
 
// API
// 第一步，创建一个 epoll 句柄
int epoll_create(int size); // 内核中间加一个 ep 对象，把所有需要监听的 socket 都放到 ep 对象中
// 第二步，向内核添加、修改或删除要监控的文件描述符。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl 负责把 socket 增加、删除到内核红黑树
// 第三步，类似发起了 select() 调用
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);// epoll_wait 负责检测可读队列，没有可读 socket 则阻塞进程

epoll使用示例：

int main(int argc, char* argv[])
{
   /*
   * 在这里进行一些初始化的操作，
   * 比如初始化数据和socket等。
   */
 
    // 内核中创建ep对象
    epfd=epoll_create(256);
    // 需要监听的socket放到ep中
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
 
    while(1) {
      // 阻塞获取
      nfds = epoll_wait(epfd,events,20,0);
      for(i=0;i<nfds;++i) {
          if(events[i].data.fd==listenfd) {
              // 这里处理accept事件
              connfd = accept(listenfd);
              // 接收新连接写到内核对象中
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
          } else if (events[i].events&EPOLLIN) {
              // 这里处理read事件
              read(sockfd, BUF, MAXLINE);
              //读完后准备写
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
          } else if(events[i].events&EPOLLOUT) {
              // 这里处理write事件
              write(sockfd, BUF, n);
              //写完后准备读
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
          }
      }
    }
    return 0;
}

epoll缺点：
只能在Linux下工作，当然Windows下有更强大的IOCP。

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总结

所以，IO 模型的演进，其实就是时代的变化，倒逼着操作系统将更多的功能加到自己的内核而已。

selec	poll	epoll

数据结构 bitmap 数组 红黑树
最大连接数 1024 无上限 无上限
fd拷贝 每次调用selec拷贝 每次调用poll拷贝 fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝
工作效率 轮询O：(n） 轮询：O(n） 回调：O(1）

	selec	poll	epoll
数据结构	bitmap	数组	红黑树
最大连接数	1024	无上限	无上限
fd拷贝	每次调用selec拷贝	每次调用poll拷贝	fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝
工作效率	轮询O：(n）	轮询：O(n）	回调：O(1）