“IO 多路復(fù)用”是編程中常見的技術(shù)詞匯，使用這種技術(shù)的框架有很多，如，Redis、Kafka、Netty、Nginx 中都用到了此技術(shù)。那問題來了，什么是 IO 多路復(fù)用？它的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)有哪些？這些技術(shù)之間有什么區(qū)別？今天我們就來簡單的探討一下。

1.什么是IO多路復(fù)用？

IO 多路復(fù)用技術(shù)是一種允許單個(gè)線程管理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的技術(shù)，它使得服務(wù)器能夠高效地處理大量的并發(fā)連接而不需要為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的線程或進(jìn)程。

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想象如果客戶端有成千上萬個(gè)的情況下，那么非 IO 多路復(fù)用就會有成千上萬個(gè)線程，那么就會發(fā)生 IO 過度爭搶和多線程切換的問題，因?yàn)?CPU 資源只有幾個(gè)，而要執(zhí)行的線程卻有成千上萬個(gè)。

2.IO多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)

常用的 IO 多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)有：select、poll、epoll 和 kqueue 等，它們的具體介紹如下。

2.1 select

• 特點(diǎn)：select 是最早出現(xiàn)的一種多路復(fù)用 I/O 模型，幾乎在所有平臺上都有支持。它通過一個(gè)調(diào)用來監(jiān)視多個(gè)文件描述符，等待其中任何一個(gè)變?yōu)榭勺x或可寫狀態(tài)。
• 局限性：

文件描述符數(shù)量受限：通常限制為 1024 個(gè)，可以通過修改系統(tǒng)參數(shù)來增加這個(gè)限制，但這樣做會消耗更多的系統(tǒng)資源。

效率低下：每次調(diào)用 select 都需要將文件描述符列表復(fù)制到內(nèi)核，檢查完后又需要復(fù)制回用戶空間，這對于大量文件描述符來說效率很低。

不支持邊緣觸發(fā)模式：只支持水平觸發(fā)模式。

邊緣觸發(fā)模式 VS 水平觸發(fā)模式

1. 邊緣觸發(fā)模式：當(dāng)一個(gè)文件描述符從不可讀（或不可寫）變?yōu)榭勺x（或可寫）時(shí)，內(nèi)核僅通知應(yīng)用程序一次。如果應(yīng)用程序未能立即處理完所有可用的數(shù)據(jù)（例如，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)未完全讀取），那么即使文件描述符仍然是可讀的，內(nèi)核也不會再次通知應(yīng)用程序，直到該文件描述符的狀態(tài)再次發(fā)生變化（例如，從可讀變?yōu)椴豢勺x，再變回可讀）。

優(yōu)點(diǎn)：減少了系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)，提高了效率，特別適合于大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

缺點(diǎn)：要求應(yīng)用程序必須在接收到事件后盡可能多地讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，否則可能會錯(cuò)過后續(xù)的數(shù)據(jù)。因此，邊緣觸發(fā)模式對編程的要求較高，需要更加小心地處理。

2. 水平觸發(fā)模式：在水平觸發(fā)模式下，只要文件描述符處于可讀（或可寫）狀態(tài)，無論之前是否已經(jīng)通知過，內(nèi)核都會持續(xù)通知應(yīng)用程序。這意味著，如果應(yīng)用程序未能一次性處理完所有數(shù)據(jù)，只要文件描述符仍然處于可讀或可寫狀態(tài)，內(nèi)核就會繼續(xù)發(fā)送通知。
3. 優(yōu)點(diǎn)：編程較為簡單，因?yàn)榧词瑰e(cuò)過了某個(gè)事件的通知，只要文件描述符的狀態(tài)沒有改變，應(yīng)用程序仍然有機(jī)會在下一次輪詢時(shí)接收到同樣的事件。
4. 缺點(diǎn)：可能造成更多的系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)榧词箶?shù)據(jù)已經(jīng)被部分處理，內(nèi)核仍然會不斷地通知應(yīng)用程序，這可能導(dǎo)致效率降低。

2.2 poll

• 特點(diǎn)：poll 在功能上與 select 非常相似，但沒有文件描述符數(shù)量的限制。poll 使用一個(gè) pollfd 結(jié)構(gòu)體數(shù)組來表示要監(jiān)聽的文件描述符集合。
• 局限性：雖然解決了 select 的文件描述符數(shù)量限制問題，但在性能上仍然存在類似 select 的問題，即每次調(diào)用都需要復(fù)制文件描述符列表到內(nèi)核，并且返回時(shí)也需要復(fù)制回用戶空間。

2.3 epoll

• 特點(diǎn)：epoll 是 Linux 特有的高效 IO 多路復(fù)用技術(shù)，它克服了 select 和 poll 的所有缺點(diǎn)。epoll 使用三個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來管理文件描述符：epoll_create 創(chuàng)建一個(gè) epoll 實(shí)例，epoll_ctl 添加/刪除需要監(jiān)聽的文件描述符，epoll_wait 等待事件的發(fā)生。
• 優(yōu)勢：

無數(shù)量限制：沒有文件描述符數(shù)量限制。

高效：只有活躍的文件描述符才會被傳遞給用戶空間，減少了不必要的復(fù)制操作。

功能強(qiáng)大：支持邊緣觸發(fā)和水平觸發(fā)兩種工作模式。

2.4 kqueue

• 特點(diǎn)：kqueue 是 FreeBSD 操作系統(tǒng)引入的一種 IO 多路復(fù)用技術(shù)，后來也被 Mac OS X 和其他基于 BSD 的操作系統(tǒng)采用。kqueue 可以同時(shí)處理多種類型的事件，包括但不限于文件描述符事件、信號事件等。
• 優(yōu)勢：

功能更強(qiáng)大：不僅支持文件描述符的事件通知，還能處理其他類型的事件。

性能優(yōu)秀：與 epoll 類似，只有活躍的文件描述符才會被處理，從而提高了效率。

3.區(qū)別對比

select、poll、epoll 和 kqueue 之間的區(qū)別如下：

課后思考

什么叫做“文件描述符”？IO 多路復(fù)用為什么要進(jìn)行“數(shù)據(jù)拷貝”？