IO多路复用图解1

在计算机编程领域，IO多路复用是一种提高服务器性能的技术，尤其在处理大量并发连接时。该技术的主要目的是通过一个单独的线程或进程来管理多个IO操作，从而避免为每个连接创建单独的线程或进程，这样可以节省资源并减少CPU的调度开销。 在传统的 Blocking I/O (BIO) 模型中，每个客户端连接都会导致服务器创建一个新的线程或进程，用于处理该连接的读写操作。当客户端数量增加时，服务器需要维护大量线程或进程，这会消耗大量的内存资源，并且频繁的线程切换会消耗CPU资源，降低整体效率。例如，在服务器端，一旦有客户端连接，会创建一个新的文件描述符（如cfd或cfd1）用于读写操作，而这些操作通常是阻塞的，意味着线程会在等待数据时被挂起，无法处理其他任务。 为了解决这个问题，非阻塞I/O（NIO）模型应运而生。在非阻塞模式下，当尝试读取数据但数据尚未就绪时，操作不会阻塞，而是立即返回，允许程序继续执行其他任务。然而，这种方法需要不断地轮询检查数据是否准备好，这同样会消耗CPU资源。 IO多路复用技术，如select、poll和epoll，提供了一种更为高效的方法。它们允许程序注册一组文件描述符，然后由操作系统内核来监控这些描述符的状态。当某些描述符准备就绪时，内核会通知应用程序。这种机制减少了不必要的CPU占用，并允许单个线程高效地处理多个连接。 - select函数是IO多路复用的早期实现。它接受一个文件描述符集，然后在指定的超时时间内检查哪些描述符准备好进行读写。然而，select有三个主要缺点：每次调用都需要在用户态和内核态之间复制文件描述符集，当文件描述符数量较大时，开销显著；内核必须遍历整个文件描述符集，效率低下；select默认支持的最大文件描述符数量有限，通常为1024。 - poll函数作为select的改进版本，解决了最大文件描述符数量的限制，允许处理更多的并发连接。poll使用结构体pollfd来表示每个文件描述符的状态，不再受制于固定大小的位数组，但仍然存在用户态到内核态的数据拷贝以及遍历所有描述符的问题。 - epoll是Linux特有的高级IO多路复用技术，提供了更高效的性能。它使用epoll_ctl来添加、修改和删除文件描述符，以及epoll_wait来等待事件发生。epoll采用了“边缘触发”(ET)或“水平触发”(LT)两种模式，其中边缘触发只在事件状态变化时通知，而水平触发则在事件发生后持续通知，直至事件处理完毕。此外，epoll还支持“事件多路复用”（EPOLLONESHOT），只通知一次事件，减少了重复轮询的开销。 总结来说，IO多路复用技术通过集中管理多个文件描述符的读写事件，使得服务器能够以更高效的方式处理大量并发连接。相比于BIO模型，NIO和IO多路复用降低了资源消耗，提高了系统吞吐量。在Linux环境下，epoll是最优的选择，因为它解决了select和poll的局限性，提供了更好的性能和可扩展性。在设计高性能的网络服务时，理解并合理利用这些技术至关重要。