从阻塞 I/O 到 I/O 多路复用

• 阻塞IO：
  阻塞 I/O，是指进程发起调用后，会被挂起（阻塞），直到收到数据再返回。如果调用一直不返回，进程就会一直被挂起。因此，当使用阻塞 I/O 时，需要使用多线程来处理多个文件描述符。多线程切换有一定的开销，因此引入非阻塞 I/O。

• 非阻塞IO：
  非阻塞 I/O 不会将进程挂起，调用时会立即返回成功或错误，因此可以在一个线程里轮询多个文件描述符是否就绪。
  但是非阻塞 I/O 的缺点是：每次发起系统调用，只能检查一个文件描述符是否就绪。当文件描述符很多时，系统调用的成本很高。

因此我们引入了IO多路复用，可以通过一次系统调用（一个线程），检查多个文件描述符的状态。一旦某个文件描述符准备就绪，就能通知到对应应用程序进行相应读写操作。

这是 I/O 多路复用的主要优点，相比于非阻塞 I/O，在文件描述符较多的场景下，避免了频繁的用户态和内核态的切换，减少了系统调用的开销。

I/O 多路复用相当于将「遍历所有文件描述符、通过非阻塞 I/O 查看其是否就绪」的过程从用户线程移到了内核中，由内核来负责轮询。

文件描述符

上面我们提到了文件描述符，这里就解释下 什么是文件描述符？

这里引用 linux进程.md

先说 files，它是一个文件指针数组。一般来说，一个进程会从 files[0] 读取输入，将输出写入 files[1]，将错误信息写入 files[2]。

举个例子，以我们的角度 C 语言的 printf 函数是向命令行打印字符，但是从进程的角度来看，就是向 files[1] 写入数据；同理，scanf 函数就是进程试图从 files[0] 这个文件中读取数据。

每个进程被创建时，files 的前三位被填入默认值，分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引，所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入，1 是输出，2 是错误。

对于一般的计算机，输入流是键盘，输出流是显示器，错误流也是显示器，所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的，我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。

note：不要忘了，Linux 中一切都被抽象成文件，设备也是文件，可以进行读和写。

如果我们写的程序需要其他资源，比如打开一个文件进行读写，这也很简单，进行系统调用，让内核把文件打开，这个文件就会被放到 files 的第 4 个位置：

明白了这个原理，输入重定向就很好理解了，程序想读取数据的时候就会去 files[0] 读取，所以我们只要把 files[0] 指向一个文件，那么程序就会从这个文件中读取数据，而不是从键盘：

$ command < file.txt

同理，输出重定向就是把 files[1] 指向一个文件，那么程序的输出就不会写入到显示器，而是写入到这个文件中：

$ command > file.txt

错误重定向也是一样的，就不再赘述。

管道符其实也是异曲同工，把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」，数据就在其中传递，不得不说这种设计思想真的很优美：

$ cmd1 | cmd2 | cmd3

到这里，你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了，不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件，全部都可以读写，统一装进一个简单的 files 数组，进程通过简单的文件描述符访问相应资源，具体细节交于操作系统，有效解耦，优美高效。

socket 可以用于同一台主机的不同进程间的通信，也可以用于不同主机间的通信。操作系统将 socket 映射到进程的一个文件描述符上，进程就可以通过读写这个文件描述符来和远程主机通信。
socket 是进程间通信规则的高层抽象，而 fd 提供的是底层的具体实现。socket 与 fd 是一一对应的。后面可以将 socket 和 fd 视为同义词。

IO多路复用的三种模型

进程可以通过 select、poll、epoll发起IO多路复用的系统调用，这些系统调用都是同步阻塞的：如果传入的多个文件描述符中，有描述符就绪，则返回就绪的描述符；否则如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞时长超过设置的 timeout 后，再返回。I/O 多路复用内部使用非阻塞 I/O 检查每个描述符的就绪状态。

I/O 多路复用引入了一些额外的操作和开销，性能更差。但是好处是用户可以在一个线程内同时处理多个 I/O 请求。如果不采用 I/O 多路复用，则必须通过多线程的方式，每个线程处理一个 I/O 请求。后者线程切换也是有一定的开销的。

Select

int select(int nfds,
            fd_set *restrict readfds,
            fd_set *restrict writefds,
            fd_set *restrict errorfds,
            struct timeval *restrict timeout);

readfds、writefds、errorfds 是三个文件描述符集合。select 会遍历每个集合的前 nfds 个描述符，分别找到可以读取、可以写入、发生错误的描述符，统称为“就绪”的描述符。然后用找到的子集替换参数中的对应集合，返回所有就绪描述符的总数。

timeout 参数表示调用 select 时的阻塞时长。如果所有文件描述符都未就绪，就阻塞调用进程，直到某个描述符就绪，或者阻塞超过设置的 timeout 后，返回。如果 timeout 参数设为 NULL，会无限阻塞直到某个描述符就绪；如果 timeout 参数设为 0，会立即返回，不阻塞。

找到就绪的文件描述符，触发相应的IO操作。
优点：跨平台性好，几乎在所有平台都支持
缺点：

• 性能开销大：select系统调用，会将 fd_set 从用户空间拷贝到内核空间。并且内核需要轮询遍历 fd_set的每一位。因此随着 FD 数量的增多会导致性能下降
• 同时能够监听的文件描述符少。一般是1024个，不同的操作系统不相同。

Poll

poll与select的区别只在于，poll在用户态时是通过数组方式传递文件描述符，在内核态时会转为链表存储，所以没有最大数据的限制。

EPoll

select 和 poll 都会因为吞吐量增加而导致性能下降，因此出现了 epoll 模型。
epoll 是对 select 和 poll 的改进，避免了“性能开销大”和“文件描述符数量少”两个缺点。

简而言之，epoll 有以下几个特点：

• 使用红黑树存储文件描述符集合
• 使用队列存储就绪的文件描述符
• 每个文件描述符只需在添加时传入一次；通过事件更改文件描述符状态

它能支持的文件描述符FD上限是操作系统的最大文件描述符数，一般而言1G内存大概支持10万个文件描述符。所以分布式系统中如Redis、Nginx都是优先使用 epoll模型。

select、poll 模型都只使用一个函数，而 epoll 模型使用三个函数：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。

1. epoll_create

epoll_create 会创建一个 epoll 实例，同时返回一个引用该实例的文件描述符。

返回的文件描述符仅仅指向对应的 epoll 实例，并不表示真实的磁盘文件节点。其他 API 如 epoll_ctl、epoll_wait 会使用这个文件描述符来操作相应的 epoll 实例。

当创建好 epoll 句柄后，它会占用一个 fd 值，在 linux 下查看 /proc/进程id/fd/，就能够看到这个 fd。所以在使用完 epoll 后，必须调用 close(epfd) 关闭对应的文件描述符，否则可能导致 fd 被耗尽。当指向同一个 epoll 实例的所有文件描述符都被关闭后，操作系统会销毁这个 epoll 实例。

epoll 实例内部存储：

• 监听列表：所有要监听的文件描述符，使用红黑树
• 就绪列表：所有就绪的文件描述符，使用链表

2. epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll_ctl 会监听文件描述符 fd 上发生的 event 事件。每新建一个连接的时候，会同步更新 epoll 对象中的 FD，并绑定一个 callback 回调函数。

参数说明：

• epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
• fd 表示要监听的目标文件描述符
• event 表示要监听的事件（可读、可写、发送错误…）
• op 表示要对 fd 执行的操作，有以下几种：
• EPOLL_CTL_ADD：为 fd 添加一个监听事件 event
• EPOLL_CTL_MOD：Change the event event associated with the target file descriptor fd（event 是一个结构体变量，这相当于变量 event 本身没变，但是更改了其内部字段的值）
• EPOLL_CTL_DEL：删除 fd 的所有监听事件，这种情况下 event 参数没用

返回值 0 或 -1，表示上述操作成功与否。

epoll_ctl 会将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例的监听列表里，同时为 fd 设置一个回调函数，并监听事件 event。当 fd 上发生相应事件时，会调用回调函数，将 fd 添加到 epoll 实例的就绪队列上。

3. epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
               int maxevents, int timeout);

这是 epoll 模型的主要函数，功能相当于 select。轮询所有的callback集合，触发对应的IO操作。

参数说明：

• epfd 即 epoll_create 返回的文件描述符，指向一个 epoll 实例
• events 是一个数组，保存就绪状态的文件描述符，其空间由调用者负责申请
• maxevents 指定 events 的大小
• timeout 类似于 select 中的 timeout。如果没有文件描述符就绪，即就绪队列为空，则 epoll_wait 会阻塞 timeout 毫秒。如果 timeout 设为 -1，则 epoll_wait 会一直阻塞，直到有文件描述符就绪；如果 timeout 设为 0，则 epoll_wait 会立即返回

返回值表示 events 中存储的就绪描述符个数，最大不超过 maxevents。

	select	poll	epoll
数据结构	数组	链表	B+树、红黑树
最大连接数	1024	无上限	无上限
FD拷贝	每次调用select	每次调用poll	FD首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用 epoll_wait不用拷贝
效率	轮询：O(n)	轮询：O(n)	回调：O(1)