i/o多路复用详解

一、i/o多路复用的概念

i/o多路复用，即multiplexing，是一种采用单线程复用多个I/O通道的技术，常见的实现方式有select、poll、epoll等。使用i/o多路复用技术可以极大地提高系统的并发性能，提高系统效率。

i/o多路复用基于事件驱动的思想，当有多个I/O操作可以进行时，系统根据实际情况决定哪个I/O操作进行，而其他的I/O操作进入等待状态。在等待的过程中，多路复用机制将不停地对所有I/O进行轮询，一旦某个I/O可读写，即触发相应的事件。这种机制可以有效解决并发I/O操作的效率问题。

二、i/o多路复用的使用场景

i/o多路复用通常用于高并发的网络服务场景，对于频繁的I/O操作，采用单线程复用多个I/O通道可以避免频繁上下文切换和线程阻塞。

另外，i/o多路复用还可以用于非网络I/O操作，如文件描述符等，以节省系统资源，提高系统效率。

三、select和poll的实现原理

select和poll是两种常见的i/o多路复用实现方式。它们的原理都类似，都是通过一个集合来管理需要进行I/O操作的文件描述符。当某个文件描述符可读写时，select或poll会将其加入到结果集合中。

select和poll不同的地方在于，select使用的是三个fd_set结构体，分别用于读文件描述符、写文件描述符、异常文件描述符，而poll则使用pollfd结构体，每个结构体中保存了与一个文件描述符相关的信息，如事件类型等。此外，select在查询文件描述符数量大于1024时效率明显下降，而poll则没有这个限制。

四、epoll的实现原理

epoll是一种基于事件驱动的i/o多路复用技术，在Linux系统中被广泛使用。epoll基于内核事件表实现，每个文件描述符与一个或多个事件绑定，当该事件发生时，内核会向应用程序发送通知。

epoll的优势在于，它将内核事件表的创建、维护和查询等操作都放在内核空间中进行，不会因为单个进程的文件描述符数量过多而导致效率下降，因此，epoll可以支持成千上万的并发连接，极大地提高了系统效率和可靠性。

五、i/o多路复用的示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 100

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size;
    char buf[BUF_SIZE];
    int fd_max, fd_num, i, j, k;

    fd_set reads, cpy_reads;

    if(argc != 2){
        printf("Usage: %s [port]\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(serv_sock == -1){
        perror("socket() error");
        exit(1);
    }

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1){
        perror("bind() error");
        exit(1);
    }

    if(listen(serv_sock, 5) == -1){
        perror("listen() error");
        exit(1);
    }

    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(serv_sock, &reads);
    fd_max = serv_sock;

    while(1){
        cpy_reads = reads;
        fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, NULL);
        if(fd_num == -1){
            perror("select() error");
            break;
        }
        if(fd_num == 0){
            continue;
        }

        for(i=0; i<fd_max+1; i++){
            if(FD_ISSET(i, &cpy_reads)){
                if(i == serv_sock){
                    clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
                    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
                    FD_SET(clnt_sock, &reads);
                    if(fd_max < clnt_sock){
                        fd_max = clnt_sock;
                    }
                    printf("Connected client: %d\n", clnt_sock);
                }
                else{
                    memset(buf, 0, BUF_SIZE);
                    int str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                    if(str_len == 0){
                        FD_CLR(i, &reads);
                        close(i);
                        printf("Closed client: %d\n", i);
                    }
                    else{
                        write(i, buf, str_len);
                    }
                }
            }
        }
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}