I/O多路复用：精通select、poll、epoll

后端

2023-12-01 02:07:50

I/O多路复用：让您的服务器性能飙升

在互联网时代，服务器是不可或缺的基石，它们负责处理来自客户端的请求并提供响应。随着网络流量的不断增加，服务器面临着巨大的并发挑战，传统的阻塞式I/O模型已无法满足高性能的需求。

什么是I/O多路复用？

I/O多路复用是一种革命性的技术，它允许一个进程或线程同时监视多个文件符（如套接字），一旦某个文件符就绪（例如，可以进行读取或写入操作），它就会通知应用程序进行处理。

工作原理

I/O多路复用通过将多个文件描述符注册到一个I/O多路复用器来实现。然后，I/O多路复用器会不断地轮询这些文件描述符，检查它们是否就绪。当发现就绪的文件描述符时，I/O多路复用器会将该事件通知应用程序。

应用程序根据I/O多路复用器返回的就绪文件描述符，就可以有针对性地对其进行处理。这种方式避免了传统的阻塞式I/O模型中一个文件描述符阻塞整个应用程序的情况，从而显著提高了并发性能。

select、poll和epoll

在Linux系统中，I/O多路复用主要通过select、poll和epoll这三种系统调用来实现。它们的功能类似，但各有特点。

select： 是最早出现的I/O多路复用系统调用，相对简单，但同时监视的文件描述符数量有限。
poll： 与select类似，但更加灵活，可以监视更多的文件描述符，并且可以指定每个文件描述符的超时时间。
epoll： 是最新的I/O多路复用系统调用，也是最有效率的。它采用事件通知机制，应用程序无需轮询即可接收文件描述符就绪事件。

优点

高并发： I/O多路复用可以同时处理大量客户端连接，大大提高服务器的并发性能。
低开销： 由于不需要对每个文件描述符进行阻塞等待，因此开销很低。
可扩展性： I/O多路复用可以轻松扩展到更多的客户端连接，而不需要修改应用程序代码。

缺点

复杂性： I/O多路复用技术实现起来相对复杂，需要对底层系统有较深的了解。
移植性： I/O多路复用技术依赖于操作系统，因此移植性不是很好。

应用场景

I/O多路复用技术广泛应用于需要处理大量并发连接的场景，如：

Web服务器
邮件服务器
数据库服务器
即时通讯服务器

代码示例（epoll）

#include <sys/epoll.h>
#include <vector>

int main() {
  int epoll_fd = epoll_create1(0);
  if (epoll_fd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    return -1;
  }

  std::vector<int> fds = {...}; // 要监控的文件描述符

  for (int fd : fds) {
    struct epoll_event event;
    event.events = EPOLLIN; // 监听可读事件
    event.data.fd = fd;

    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) == -1) {
      perror("epoll_ctl");
      return -1;
    }
  }

  while (true) {
    struct epoll_event events[100];
    int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, 100, -1);
    if (num_events == -1) {
      perror("epoll_wait");
      return -1;
    }

    for (int i = 0; i < num_events; i++) {
      int fd = events[i].data.fd;
      if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 处理可读事件
      }
    }
  }

  return 0;
}