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title: IO Multiplexing
date: 2025-07-19
excerpt: select poll epoll实现简述
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updated: 2026-05-08 22:10:51
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> [!TIP]
>
> 该笔记主要关注网络 I/O，关于 5 种 IO 模型的介绍，参考 [[io_models]]

## Select

`select` 是一种 **I/O 多路复用** 机制，用于同时监听多个[[file_system#File Descriptor|文件描述符]]上的 I/O 事件就绪情况，如可读、可写或异常状态。

```c
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
```

判断条件可参考 UNIX 网络编程卷一 6.3.1 章节，下图汇总了相关条件：

![select返回就绪条件](https://assets.vluv.space/select返回就绪条件.webp)

### timeout

`timeout` 参数用于设置等待时间，有三种方式：

- **不等待**：轮询文件描述符后立即返回，timeval 中指定时间为 0
- **等待直到有文件描述符就绪**：timeval 中指定等待时间，select 会阻塞直到有文件描述符就绪或超时
- **无限等待**：timeval 设置为 NULL，select 会一直阻塞直到有文件描述符就绪

> [!INFO] struct timeval
>
> ```c
> struct timeval {
>     long tv_sec;  // seconds, 秒
>     long tv_usec; // microseconds, 微秒
> };
> ```

### Fd Set

fd_set 通常是一个位图（bitmap），在内部实现为一个长整型数组。数组中的每一个比特位（bit）对应一个[[file_system#File Descriptor|文件描述符]]。

这个位图的大小是固定的，由常量 FD_SETSIZE 决定（在 Linux 上通常是 1024），这个在 Linux 内核中是硬编码的，修改改 fd_set 大小需要改源码、重新编译 glibc 和内核

在编写 C 代码时，可以使用下面的宏来操作 `fd_set`：

```c
FD_ZERO(fd_set *fdset);          // clear all bits in fdset
FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   // turn on the bit for fd in fdset
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   // turn off the bit for fd
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // is the bit for fd on?
```

> [!EXAMPLE]
>
> 例如，我们希望监听文件描述符 3、5 和 8 的可读事件，可以这样设置 `fd_set`：
>
> ```c
> fd_set read_fds;
>
> FD_ZERO(&read_fds);
> FD_SET(3, &read_fds); // 监听 fd 3
> FD_SET(5, &read_fds); // 监听 fd 5
> FD_SET(8, &read_fds); // 监听 fd 8
>
> select(9, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
> ```

当 select 执行完成后，会返回就绪文件描述符的总个数，并相应的修改 `fd_set`，将就绪的文件描述符的位设置为 1。为此，每次重新调用 `select` 前，通常需要再次设置 `fd_set`。

![select工作流程](https://assets.vluv.space/select_%E5%8A%A8%E5%9B%BE.gif)

### nfds

`nfds`（number of file descriptors）通常设置为传入的文件描述符集合中最大的文件描述符加 1，即：

$$
\text{nfds} = \max(\text{MaxReadFd}, \text{MaxWriteFd}, \text{MaxExceptFd}) + 1
$$

Unix 网络编程卷一指出，"存在这个参数以及计算其值的额外负担纯粹是为了效率原因"。理解该参数的意义，首先假设没有 `nfds` 参数：

`select` 函数会将整个 1024-bit 位图（fd_set）复制到内核空间，在函数执行结束后再将位图复制到用户空间，这部分开销是略大的。

而一个普通进程要检查的文件描述符通常远小于 1024 个。仍以上面的代码为例，我们只关心 3, 5, 8 这三个文件描述符，后面的 1015 个 bit 并不关心，这部分数据的传输是不必要的。

通过 `nfds` 参数，`select` 可以不必拷贝完整的 1024-bit 位图，而是**仅根据 `nfds` 决定拷贝到哪个字节为止**，以节省性能和内存带宽。

## Poll

poll 提供了与 select 相似的功能，内核中也是线性扫描数组，时间复杂度仍为 $O(n)$。

区别一方面是传入的 fds 大小可以自行更新(仍受系统资源限制)；另外就是 API 简洁一些。

> [!warning]
>
> 在 Linux 系统中，每个进程能打开的文件描述符数量是受限的，默认值通常为 1024，具体值可通过 `ulimit` 命令查看和修改。
>
> 而 `select` 的文件描述符上限还受限于实现层面的硬编码（通常为 `FD_SETSIZE`，默认 1024），即使系统允许更多 fd，`select` 依然无法支持。
>
> ```bash
> # 查看当前进程可打开的最大文件描述符数量
> ulimit -n
>
> # 查看系统级别允许的最大文件总数（所有进程合计）
> cat /proc/sys/fs/file-max
> ```

```c
int poll(struct pollfd *fds, unsigned long nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int fd;         // 文件描述符
    short events;   // events of interest on fd
    short revents;  // events that occurred on fd
};
```

events 每个 bit 代表一种事件，和 select 类似可以划分为读、写、异常三个类别。shell 中运行 `man poll` 查看更具体的事件类型划分。

revents 在调用 poll 后会被内核填充，表示实际发生的事件。

## Epoll

`epoll` 是 Linux 特有的 I/O 多路复用机制，专为处理大量文件描述符而设计。它比 `select` 和 `poll` 更高效，尤其在处理大量并发连接时。对 epoll 的详解可以参考[图解 | 深入揭秘 epoll 是如何实现 IO 多路复用的！](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5Njg5NDgwNA==&mid=2247484905&idx=1&sn=a74ed5d7551c4fb80a8abe057405ea5e&chksm=a6e304d291948dc4fd7fe32498daaae715adb5f84ec761c31faf7a6310f4b595f95186647f12&scene=21#wechat_redirect)

| 特性             | select            | poll     | epoll              |
| ---------------- | ----------------- | -------- | ------------------ |
| 接口标准         | POSIX             | POSIX    | Linux 特有         |
| fd 数量限制      | 受限（一般 1024） | 无限制   | 无限制             |
| fd 表达方式      | 位图              | 数组     | 内核结构           |
| 是否复制 fd 集合 | 每次都要          | 每次都要 | 注册一次           |
| 扫描复杂度       | O(n)              | O(n)     | O(1)~O(活跃 fd 数) |

### Epoll LT & ET

| 维度               | 水平触发（LT）                           | 边缘触发（ET）                     |
| ------------------ | ---------------------------------------- | ---------------------------------- |
| 触发条件           | 只要状态满足（如缓冲区非空），就持续触发 | 仅状态从 “未就绪→就绪” 时触发一次  |
| 事件通知频率       | 高（未处理完会重复通知）                 | 低（仅状态变化时通知）             |
| 数据处理要求       | 可分多次处理，无需一次完成               | 必须一次性处理完所有当前数据       |
| 是否依赖非阻塞 I/O | 可选（阻塞 I/O 也可工作）                | 必须（否则可能导致线程阻塞）       |
| 编程复杂度         | 低（不易出错）                           | 高（需处理边缘情况，避免数据丢失） |
| 性能               | 适中                                     | 更高（减少通知开销）               |
## Ref

- [你管这破玩意叫 IO 多路复用？](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkxMDc1MDg1Nw==&mid=2247508528&idx=1&sn=ca2920020af8b51c3649d103dd7d3331&source=41#wechat_redirect)
- 《UNIX 网络编程》- W. Richard Stevens