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IO复用详解——C/C++

news 2025/5/15 10:09:19

IO复用

在Linux网络编程中，I/O复用是处理高并发连接的核心技术。它允许单个线程/进程同时监控多个文件描述符（如Socket）的可读/可写状态，避免为每个连接创建独立线程的资源浪费。以下是 select、poll 和 epoll 的详细对比与实现方法：

1. I/O复用核心概念

阻塞I/O：线程等待数据就绪，期间无法执行其他操作。
非阻塞I/O：轮询检查数据是否就绪，浪费CPU资源。
I/O复用：通过系统调用统一监控多个I/O事件，仅处理就绪的I/O。

2. select

原理

使用**位图（fd_set）**表示监控的文件描述符集合。

typedef struct {unsigned long fds_bits[FD_SETSIZE / (8 * sizeof(unsigned long))];
} fd_set;

FD_SETSIZE
是一个宏，定义了 fd_set 可容纳的最大文件描述符数量，默认值通常为 1024。
fds_bits
每个文件描述符对应一个位。
位为 1：表示文件描述符在集合中。
位为 0：表示文件描述符不在集合中。

宏	功能描述
`FD_ZERO(fd_set *set)`	清空集合，将所有位设为 0。
`FD_SET(int fd, fd_set *set)`	将文件描述符 `fd` 添加到集合中（对应位设为 1）。
`FD_CLR(int fd, fd_set *set)`	从集合中移除文件描述符 `fd`（对应位设为 0）。
`FD_ISSET(int fd, fd_set *set)`	检查 `fd` 是否在集合中，返回值为 `1`（存在）或 `0`（不存在）。

每次调用时需将所有fd集合从用户态拷贝到内核态，内核通过线性扫描判断就绪状态。
支持跨平台（Windows/Linux）。

代码示例

#include <sys/select.h>int main() {fd_set read_fds;FD_ZERO(&read_fds);     // 清空集合FD_SET(sock_fd, &read_fds); // 添加sock_fd到监控集合struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 5;     // 超时时间5秒timeout.tv_usec = 0;// 调用select，监控可读事件int ret = select(sock_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);if (ret > 0) {if (FD_ISSET(sock_fd, &read_fds)) {// 处理数据读取}}
}

优缺点

优点：跨平台兼容。
缺点：
- 最大支持 FD_SETSIZE（通常1024）个文件描述符。
- 每次调用需重置fd集合，存在内存拷贝开销。
- 线性扫描效率低（时间复杂度O(n)）。

3. poll

原理

使用**结构体数组（pollfd）**替代select的位图，突破文件描述符数量限制。
仍需要遍历所有fd检查就绪状态。

代码示例

#include <poll.h>int main() {struct pollfd fds[1];fds[0].fd = sock_fd;      // 监控的fdfds[0].events = POLLIN;   // 监控可读事件// 调用poll，超时时间5秒int ret = poll(fds, 1, 5000);if (ret > 0) {if (fds[0].revents & POLLIN) {// 处理数据读取}}
}

优缺点

优点：无文件描述符数量限制。
缺点：
- 仍需遍历所有fd，效率随连接数线性下降。
- 每次调用需传递完整的fd数组。

4. epoll（Linux特有）

原理

使用红黑树管理待监控的fd，事件驱动机制。
**边缘触发（ET）和水平触发（LT）**两种模式。
- LT模式（默认）：只要fd处于就绪状态，每次epoll_wait都会通知。
- ET模式：仅当fd状态变化时通知一次，需一次性处理完数据。

代码示例

#include <sys/epoll.h>int main() {int epoll_fd = epoll_create1(0); // 创建epoll实例struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN;         // 监控可读事件event.data.fd = sock_fd;// 添加sock_fd到epoll监控epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &event);struct epoll_event events[10];// 等待事件，超时时间5秒int ret = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, 5000);if (ret > 0) {for (int i = 0; i < ret; i++) {if (events[i].data.fd == sock_fd) {// 处理数据读取}}}
}

优缺点

优点：
- 支持海量连接（时间复杂度O(1)）。
- 无需每次传递全部fd，通过事件回调机制高效通知。
缺点：仅适用于Linux系统。

5. 对比总结

特性	select	poll	epoll
最大连接数	1024	无限制	无限制
效率	O(n) 线性扫描	O(n) 线性扫描	O(1) 事件驱动
内存拷贝	每次拷贝全部fd集合	每次拷贝全部fd数组	仅注册时拷贝一次
触发模式	水平触发（LT）	水平触发（LT）	支持LT/ET模式
跨平台	是	是（多数系统）	仅Linux