i/o多路復用詳解

一、i/o多路復用的概念

i/o多路復用，即multiplexing，是一種採用單線程復用多個I/O通道的技術，常見的實現方式有select、poll、epoll等。使用i/o多路復用技術可以極大地提高系統的並發性能，提高系統效率。

i/o多路復用基於事件驅動的思想，當有多個I/O操作可以進行時，系統根據實際情況決定哪個I/O操作進行，而其他的I/O操作進入等待狀態。在等待的過程中，多路復用機制將不停地對所有I/O進行輪詢，一旦某個I/O可讀寫，即觸發相應的事件。這種機制可以有效解決並發I/O操作的效率問題。

二、i/o多路復用的使用場景

i/o多路復用通常用於高並發的網絡服務場景，對於頻繁的I/O操作，採用單線程復用多個I/O通道可以避免頻繁上下文切換和線程阻塞。

另外，i/o多路復用還可以用於非網絡I/O操作，如文件描述符等，以節省系統資源，提高系統效率。

三、select和poll的實現原理

select和poll是兩種常見的i/o多路復用實現方式。它們的原理都類似，都是通過一個集合來管理需要進行I/O操作的文件描述符。當某個文件描述符可讀寫時，select或poll會將其加入到結果集合中。

select和poll不同的地方在於，select使用的是三個fd_set結構體，分別用於讀文件描述符、寫文件描述符、異常文件描述符，而poll則使用pollfd結構體，每個結構體中保存了與一個文件描述符相關的信息，如事件類型等。此外，select在查詢文件描述符數量大於1024時效率明顯下降，而poll則沒有這個限制。

四、epoll的實現原理

epoll是一種基於事件驅動的i/o多路復用技術，在Linux系統中被廣泛使用。epoll基於內核事件表實現，每個文件描述符與一個或多個事件綁定，當該事件發生時，內核會嚮應用程序發送通知。

epoll的優勢在於，它將內核事件表的創建、維護和查詢等操作都放在內核空間中進行，不會因為單個進程的文件描述符數量過多而導致效率下降，因此，epoll可以支持成千上萬的並發連接，極大地提高了系統效率和可靠性。

五、i/o多路復用的示例代碼

#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;
}