Linux 网络中的 I/O 多路复用机制是一种高效处理多个 I/O 事件的模型，它允许单个线程或进程同时监视多个文件描述符（如套接字），并在其中任何一个文件描述符就绪时进行处理。其核心原理如下：

  1. 基本思想:

    • I/O 多路复用通过一个系统调用（如 select、poll、epoll）同时监视多个文件描述符，避免了为每个文件描述符创建单独的线程或进程的开销。
    • 当某个文件描述符就绪（如数据可读、可写或异常）时，多路复用机制会通知应用程序进行处理。

  2. 核心机制:

    • 文件描述符集合: 多路复用机制维护一个文件描述符集合，应用程序通过系统调用告诉内核需要监视哪些文件描述符。
    • 事件等待: 内核会挂起调用线程，直到至少有一个文件描述符就绪，或者超时。
    • 事件通知: 当有文件描述符就绪时，内核会唤醒调用线程，并返回就绪的文件描述符集合。

  3. 常用实现:

    • select:
      • 使用位掩码表示文件描述符集合，可以监视的文件描述符数量有限（通常为 1024）。
      • 每次调用需要将整个文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，效率较低。
      • 返回时，整个集合被修改，应用程序需要遍历所有文件描述符以确定哪些就绪。
    • poll:
      • 使用 pollfd 结构体表示文件描述符集合，可以监视的文件描述符数量没有限制。
      • 解决了 select 的文件描述符数量限制问题，但仍需要将整个集合从用户空间复制到内核空间。
      • 返回时，需要对整个集合进行遍历以确定哪些文件描述符就绪。
    • epoll:
      • 基于事件驱动的模型，是目前 Linux 上最常用的 I/O 多路复用机制。
      • 使用 epoll_create 创建一个 epoll 实例，然后通过 epoll_ctl 向其中添加或删除文件描述符。
      • 通过 epoll_wait 等待事件，内核只返回就绪的文件描述符，大大减少了遍历的开销。
      • 支持边缘触发（ET）和水平触发（LT）模式，边缘触发模式可以减少事件通知的次数，进一步提高效率。

  4. 性能对比:

    • select 和 poll 在文件描述符数量较多时性能较差，因为每次调用都需要遍历整个集合。
    • epoll 在文件描述符数量较多时性能更优，因为它只返回就绪的文件描述符，且不需要每次都复制整个集合。

  5. 适用场景:

    • I/O 多路复用适用于需要同时处理多个 I/O 事件的场景，如网络服务器、实时通信系统等。
    • 特别是 epoll，在大规模并发连接的情况下，性能优势尤为明显。

总结来说，I/O 多路复用机制通过高效地监视和处理多个文件描述符，极大地提升了 I/O 密集型应用程序的性能和可扩展性