目录
一、四种IO分类
二、I/O多路复用select
三、I/O多路复用Poll
四、I/O多路复用Epoll
五、三种多路复用的区别总结
1、支持一个进程所能打开的最大连接数
2、fd剧增后带来的IO效率问题
3、 消息传递方式
4、索引就绪事件的效率上。
一、四种IO分类
- 阻塞IO：程序发起 I/O 操作时，如果数据还没有准备好，I/O 函数会一直阻塞当前线程，直到数据准备好为止
- 非阻塞IO：当程序发起 I/O 操作时，数据还没有准备好，立即返回给用户一个状态值，告诉程序数据还没有准备好，程序可以继续执行其他任务。（但需要用户自己循环调用I/O函数）
- 同步IO：（也称为阻塞 I/O）是指程序发起 I/O 操作后，必须等待 I/O 操作完成才能继续往下执行。在同步 I/O 中，I/O 函数会阻塞当前线程直到操作完成。
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优点：简单易用。
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缺点：会阻塞程序的执行，影响程序的性能。
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场景：在调用read/write时，必须等待函数返回（不关心返回值）之后才可以执行后面的代码。
- 异步IO：异步 I/O（也称为非阻塞 I/O）是指程序发起 I/O 操作后，不需要等待 I/O 操作完成就可以继续往下执行。在异步 I/O 中，I/O 函数会立即返回，操作完成I/O请求后会通过回调函数通知程序。
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优点：可以提高程序的性能。
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缺点：是实现比较复杂，需要使用回调函数等技术。
二、I/O多路复用select
使用步骤：
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调用 select 函数：首先需要定义一个 fd_set 类型的集合，将要监听的文件描述符加入集合中，然后调用 select 函数，指定需要监听的文件描述符集合以及超时时间。
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检查返回值：如果 select 函数返回正数n，表示有n个文件描述符就绪，可以进行读写操作。如果返回 0，表示超时。如果返回 -1，表示出现错误。
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处理就绪文件描述符：通过遍历之前设置的文件描述符集合，检查其中的文件描述符是否就绪，如果就绪，则可以进行读写操作。
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返回到步骤1：如果没有出现错误且没有超时，可以再次调用 select 函数继续监听文件描述符集合。
函数原型：
int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout)
其中：
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nfds 参数指定需要监听的最大文件描述符值加一。
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readfds、writefds 和 exceptfds 参数分别是指向文件描述符集合的指针，用于指定需要监听的文件描述符集合。
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timeout 参数指定超时时间，可以是 NULL（表示永久阻塞），也可以是指向 timeval 结构体的指针。
在 select 函数返回之后，可以通过 FD_ISSET(fd, &fdset) 宏来判断某个文件描述符是否就绪，其中 fd 表示要判断的文件描述符，fdset 表示文件描述符集合。以下是与select搭配使用的宏。
FD_ZERO(fd_set* fds);
# 清空文件描述符集合 fds，也就是把所有比特位都置为 0
FD_SET(int fd, fd_set* fds);
# 把文件描述符 fd 加入集合 fds，也就是把对应的比特位置为 1
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds);
# 判断文件描述符 fd 是否在集合 fds 中，也就是判断对应的比特位是否为 1
FD_CLR(int fd, fd_set* fds);
# 把文件描述符 fd 从集合 fds 中删除，也就是把对应比特位置为 0
优点：
- select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。
缺点和限制：
- 文件描述符数量受限：select 函数可以监听的最大文件描述符数量是有限制的，一般默认是 1024。
- 数据传输效率较低：对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，而且当需要监听的文件描述符比较多时，频繁调用 select 函数会影响程序的效率，因为每次调用都需要进行一次遍历。
- select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理，因此需要维护一个用来存放大量fd的数据结构(fd_set)。fd_set简单地理解为一个长度是1024的比特位，每个比特位表示一个需要处理的FD，如果是1，那么表示这个FD有需要处理的I/O事件，否则没有，其是连续存储的。每次select查询都要遍历整个事件列表。这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。
- 每次select之后，事件集合都会被内核修改，再次调用select之前需要用户自己重新设置事件集合。
三、I/O多路复用Poll
使用步骤：
- 定义一个事件集合（实际上是数组，其中每个元素都是 struct pollfd结构体）。
- 事件绑定：把关注的文件描述符和在这个文件描述符上关注的事件绑定到一个 struct pollfd结构体中。
- 检查返回值：调用poll函数遍历事件集合，检查返回值返回正数n，表示有n个文件描述符就绪，可以进行读写操作。如果返回 0，表示超时。如果返回 -1，表示出现错误。
- 处理就绪的文件描述符：在已经就绪的事件中，根据事件和文件描述符的种类进行处理。
- 重复调用3~5。
函数原型：
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, /* 把文件描述符和事件绑定到一起 */
nfds_t nfds, /* pollfd的数量 */
int timeout); /* 超时时间 */
// poll事件结构体
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* 需要监听的事件，由用户决定 */
short revents; /* 已经就绪的事件，由内核决定 */
};
优点：
- 把文件描述符和事件绑定到一起，使接口更简单。
- 它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。
缺点和限制：
- poll本质上和select没有区别，每次调用时，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态。
四、I/O多路复用Epoll
步骤：
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创建一个 epoll 实例，通过 epoll_create() 或 epoll_create1() 系统调用实现。
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向 epoll 实例中添加需要监听的文件描述符，可以通过 epoll_ctl() 系统调用实现，指定添加操作为 EPOLL_CTL_ADD。
int epoll_ctl(int epfd, /*epoll*/
int op,
int fd,
struct epoll_event *event);
EPOLL_CTL_ADD //往事件表上注册fd的事件
EPOLL_CTL_MOD //修改fd上的注册事件
EPOLL_CTL_DEL //删除fd上的注册事件
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调用 epoll_wait() 等待文件描述符上的事件发生，如果有事件发生，则 epoll_wait() 函数会返回一个事件数组。
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遍历事件数组，处理每个事件，根据事件类型进行相应的操作。
常见事件类型：
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EPOLLIN：文件描述符可读；
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EPOLLOUT：文件描述符可写；
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EPOLLET：边缘触发模式；
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EPOLLERR：文件描述符发生错误；
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EPOLLRDHUP：对端关闭连接，或者半关闭连接；
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EPOLLHUP：文件描述符被挂起；
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EPOLLONESHOT：表示该事件只会被触发一次（同时只能被一个线程所处理）。
优点：
- 在获取已就绪事件的时候，不会将整个文件描述符集全部遍历，只需要把那些被系统API异步唤醒后放入Ready队列的文件描述符返回给用户就好。
- 独有ET边缘触发模式，可以提高I/O复用效率。
- 不同于前两种哪种I/O机制，无法避免fd在操作过程中拷贝的问题。而epoll 使用了 mmap内存映射 (是指文件/对象的内存映射，被映射到多个内存页上)，可以避免这个问题。
缺点：
- 在编写轻量型的服务器时，和select相比，提升效果不大。
五、三种多路复用的区别总结
1、支持一个进程所能打开的最大连接数
- select：单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义，其大小是32个整数的大小（在32位的机器上，大小就是3232，同理64位机器上FD_SETSIZE为3264），当然我们可以对进行修改，然后重新编译内核，但是性能可能会受到影响，这需要进一步的测试。
- poll：poll本质上和select没有区别，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。
- epoll：虽然连接数有上限，但是很大，1G内存的机器上可以打开10万左右的连接，2G内存的机器可以打开20万左右的连接。
2、fd剧增后带来的IO效率问题
- select：因为每次调用时都会对连接进行线性遍历，所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。
- poll：同上
- epoll：因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback，所以在活跃socket较少的情况下，使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题，但是所有socket都很活跃的情况下，可能会有性能问题。
3、 消息传递方式
- select：每次调用时，事件集合都需要在用户空间与内核空间之间传递，需要内核拷贝。
- poll：同上
- epoll：epoll通过内核和用户空间mmap共享内存来实现的，可以避免内核拷贝。
4、索引就绪事件的效率上。
- select：O(N)，每次调用，内核都需要遍历事件集合；且调用后，用户并不知道哪个事件就绪，还需要使用FD_ISSET来判断。
- poll：O(N)，同上，需要判断每个struct pollfd的revents是否就绪。
- epoll：O(1)，调用epoll_wait时，内核直接把ready队列里的事件集合返回给用户，且这些事件都是已就绪的。
