多路IO学习笔记
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五、代码实现：TCP 服务器（select + epoll）
一、多路 IO（IO 多路复用）
1. 定义
一种 IO 处理机制，单个进程 / 线程同时监听多个文件描述符（socket、fd），内核监控 IO 事件，当某个描述符就绪（可读 / 可写）时，立即通知程序处理，避免阻塞等待。
2. 作用
- 单线程 / 进程实现高并发 IO 处理，无需为每个连接创建进程 / 线程
- 减少资源消耗，提升系统并发处理能力
- 解决传统 IO 阻塞导致的效率低下问题
3. 与进程 / 线程并发对比
- 多进程 / 线程：每个连接独立进程 / 线程，资源占用高、切换开销大、并发量有限
- 多路 IO 复用：单线程管理所有连接，资源占用低、无切换开销、支持高并发
二、IO 模型分类
- 阻塞 IO：进程发起 IO 后一直阻塞，直到 IO 完成（最简单，效率低）
- 非阻塞 IO：进程轮询检查 IO 状态，不阻塞但 CPU 占用高
- 信号驱动 IO：IO 就绪后内核发送信号通知进程，异步性弱
- 并行模型：多进程 / 线程处理 IO，并发能力差
- IO 多路复用：重点，单线程监听多个 IO，select/poll/epoll 是实现方式
三、IO 多路复用核心：select & epoll
（1）select 详解
工作步骤
- 定义并初始化文件描述符集合（fd_set），添加需要监听的 fd
- 循环中重置监听集合（select 会修改集合，每次循环必须重新赋值）
- 调用 select ()，阻塞等待内核监控 IO 事件，筛选就绪 fd
- 遍历所有 fd，检查是否就绪
- 处理就绪的 IO 事件（读 / 写 / 接受连接）
特性
- 支持跨平台，兼容性最好
- 有最大文件描述符限制（默认 1024）
- 每次都需要遍历全部 fd，效率随 fd 数量增加急剧下降
- 用户态与内核态数据拷贝频繁
代码示例：
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **argv)
{
//创建有名管道
int ret = mkfifo("myfifo", 0666);
if (ret == -1)
{
if (EEXIST == errno) //管道已经存在的错误
{
//程序继续
}
else
{
perror("mkfifo fail");
return 1;
}
}
//打开有名管道
int fd = open("myfifo", O_RDONLY);
if (fd == -1)
{
perror("open myfifo");
return 1;
}
//创建集合（存放fd）、标志位集合
fd_set rd_set, tmp_set;
//添加fd到标志位集合
FD_ZERO(&rd_set); //集合清空
FD_ZERO(&tmp_set);
FD_SET(0, &tmp_set); //把标准输入放入集合
FD_SET(fd, &tmp_set); //把fd放入集合
//读管道
while (1)
{
char buf[100] = {0};
//每次循环先清除标志位
rd_set = tmp_set;
//等待读事件
select(fd + 1, &rd_set, NULL, NULL, NULL);
//判断哪个事件触发了
int i = 0;
for (i = 0; i < fd + 1; i++) // i表示文件描述符
{
//触发事件fd
if (FD_ISSET(i, &rd_set) && i == fd)
{
read(fd, buf, sizeof(buf));
printf("fifo : %s\n", buf);
}
//触发事件0
if (FD_ISSET(i, &rd_set) && i == 0)
{
bzero(buf, sizeof(buf));
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
printf("terminal:%s\n", buf);
fflush(stdout);
}
}
}
//关闭管道
close(fd);
return 0;
}
（2）epoll 详解
工作步骤
epoll_create()创建 epoll 实例epoll_ctl()向内核添加 / 删除 / 修改需要监听的 fdepoll_wait()阻塞等待 IO 事件，仅返回就绪 fd- 遍历就绪 fd 列表，直接处理事件
- 循环持续监听
特性
- Linux 专属，无最大连接数限制
- 内核事件驱动，只返回就绪 fd，无需全量遍历
- 用户态与内核态共享内存，减少数据拷贝
- 高并发场景性能远超 select/poll
代码示例：
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int add_fd(int epfd, int fd)
{
struct epoll_event ev = {0};
//监听事件类型：可读事件
ev.events = EPOLLIN;
//把要监听的文件描述符存入
ev.data.fd = fd;
//将事件fd存入epfd
int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
if (ret == -1)
{
perror("epoll_ctl");
return ret;
}
return 0;
}
int main(int argc, char **argv)
{
//创建有名管道
int ret = mkfifo("myfifo", 0666);
if (ret == -1)
{
if (EEXIST == errno) //管道已经存在的错误
{
//程序继续
}
else
{
perror("mkfifo fail");
return 1;
}
}
//打开有名管道
int fd = open("myfifo", O_RDONLY);
if (fd == -1)
{
perror("open myfifo");
return 1;
}
//创建集合-二叉树
struct epoll_event rev[2]; //用来放准备好的文件
int epfd = epoll_create(2);
if (epfd == -1)
{
perror("epoll_create");
return -1;
}
//添加fd到epfd集合中
add_fd(epfd, 0);
add_fd(epfd, fd);
//读管道
while (1)
{
char buf[100] = {0};
//把监听到的文件描述符存入rev数组中
int ep_ret = epoll_wait(epfd, rev, 2, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < ep_ret; i++)
{
if (rev[i].data.fd == fd) // fifo可读
{
read(fd, buf, sizeof(buf));
//打印
printf("fifo : %s\n", buf);
}
if (rev[i].data.fd == 0) //标准输入 可读
{
bzero(buf, sizeof(buf));
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
printf("terminal:%s\n", buf);
fflush(stdout);
}
}
}
//关闭管道
close(fd);
return 0;
}
四、select vs epoll 对比
| 特性 | select | epoll |
|---|---|---|
| 连接限制 | 有（1024） | 无，受系统文件数限制 |
| 遍历方式 | 全量遍历所有 fd | 仅遍历就绪 fd |
| 效率 | 低，连接越多越慢 | 高，O (1) 复杂度 |
| 数据拷贝 | 每次都拷贝 | 共享内存，零拷贝 |
| 平台支持 | 全平台 | Linux 专用 |
| 使用场景 | 少量连接、跨平台 | 高并发服务器（百万连接） |
总结：select 兼容性强、性能差；epoll 性能极致、Linux 专属，是高并发首选。
五、代码实现：TCP 服务器（select + epoll）
1. select 版 TCP 服务器（多客户端）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/select.h>
#define PORT 8888
#define MAX_FD 1024
int main() {
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(lfd, 128);
fd_set read_fds, tmp_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(lfd, &read_fds);
int maxfd = lfd;
while(1) {
tmp_fds = read_fds;
int nready = select(maxfd+1, &tmp_fds, NULL, NULL, NULL);
if(FD_ISSET(lfd, &tmp_fds)) {
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
FD_SET(cfd, &read_fds);
if(cfd > maxfd) maxfd = cfd;
if(--nready == 0) continue;
}
for(int i = lfd+1; i <= maxfd; i++) {
if(FD_ISSET(i, &tmp_fds)) {
char buf[1024] = {0};
int ret = read(i, buf, sizeof(buf));
if(ret <= 0) {
close(i);
FD_CLR(i, &read_fds);
} else {
printf("client %d: %s\n", i, buf);
write(i, buf, ret);
}
if(--nready == 0) break;
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}
2. epoll 版 TCP 服务器（多客户端，高性能）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>
#define PORT 8888
#define MAX_EVENTS 1024
int main() {
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(lfd, 128);
int epfd = epoll_create(1);
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = lfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
while(1) {
int nready = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
for(int i = 0; i < nready; i++) {
int fd = events[i].data.fd;
if(fd == lfd) {
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = cfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
} else {
char buf[1024] = {0};
int ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
if(ret <= 0) {
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
close(fd);
} else {
printf("client %d: %s\n", fd, buf);
write(fd, buf, ret);
}
}
}
}
close(lfd);
close(epfd);
return 0;
}
笔记核心总结
- IO 多路复用：单线程管理多 IO，高并发核心技术
- select：全平台、有限连接、全量遍历、性能低
- epoll：Linux 专属、无连接限制、仅返回就绪、高性能
- 工作流程：监听 → 等待事件 → 处理就绪 IO → 循环
- 应用场景：高并发 TCP 服务器、网关、聊天室等
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