Linux I/O 多路复用

在进行网络编程或高并发处理时，你常常需要同时监听多个文件描述符（如多个 socket 连接）。这时，I/O 多路复用 就成了一种非常高效的技术。本文将带你理解什么是 I/O 多路复用、它的几种常见实现方式（select、poll、epoll）以及各自的优缺点。

什么是 I/O 多路复用？

I/O 多路复用的本质是：使用一个线程同时等待多个文件描述符变为“就绪”状态（可读、可写或有异常），一旦某个文件描述符准备好了，你就可以对它进行 I/O 操作。

通俗来说，你不用为每个连接创建一个线程，而是可以用一个线程“盯着”多个 socket，当某个 socket 有数据时才处理它。这样做的好处是资源消耗更少，效率更高，尤其适合高并发场景。

常见的多路复用方式

Linux 下提供了三种常用的多路复用 API：

1. select

这是最早期的多路复用接口，几乎所有系统都支持。

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

• 你需要通过 FD_SET() 等宏手动设置监听的文件描述符集合；
• nfds 是所有监听的 fd 中最大值加一；
• timeout 控制阻塞时间，传 NULL 表示一直等待；
• 每次调用后，fd 集合会被修改，需重新设置。

缺点：

• 监听数量有限制（通常是 1024）；
• 每次调用都需要重建 fd 集合；
• 难以扩展，高并发场景性能差。

2. poll

poll 的功能和 select 类似，但使用数组结构代替了 fd_set，消除了 fd 数量的限制。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

• fds 是一个 pollfd 数组；
• 每个 pollfd 包含文件描述符和感兴趣的事件；
• 返回时可以知道哪些 fd 准备好了。

改进点：

• 不再限制最大 fd；
• 结构更灵活；
• 但每次仍需遍历整个数组，效率不够高。

3. epoll（Linux 独有，推荐）

epoll 是 Linux 为大规模并发优化的多路复用接口，性能远高于前两者。

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

• epoll_create 创建 epoll 实例；
• epoll_ctl 添加/修改/删除监听 fd；
• epoll_wait 等待事件，返回就绪的 fd 列表。

优点：

• 支持成千上万个连接；
• 内核帮你管理感兴趣的事件；
• 只返回发生变化的 fd，避免无效遍历；
• 支持边缘触发（edge-triggered）和水平触发（level-triggered）。

三者的对比总结

特性	select	poll	epoll
平台兼容性	高	高	Linux 专有
连接数上限	有限制（1024）	无显著限制	无显著限制
内核效率	低	一般	高
内核通知机制	轮询	轮询	事件驱动
实用场景	小规模、兼容性好	中等连接数	高并发、高性能服务器

什么时候该使用多路复用？

你应该在以下场景中考虑使用 I/O 多路复用：

• 有大量 socket 需要监听（如聊天服务器、HTTP 代理等）；
• 资源有限，不希望创建太多线程或进程；
• 对响应延迟和吞吐量要求较高。

小结

I/O 多路复用让你可以用一个线程监听多个连接，提高系统的并发处理能力。你了解了三种方式：

• select：老旧但广泛兼容，适合入门学习；
• poll：无连接数限制，结构更清晰；
• epoll：性能最优，适合高并发场景，是 Linux 网络服务器的首选。

在后续的实践中，你可以尝试用 epoll 实现一个简单的并发 TCP 聊天室，也可以用 poll 模拟一个轻量级的 HTTP 服务器。多路复用是理解高性能服务器编程的核心基础，值得你深入掌握。