⭐ 题目日期：

字节 - 2024/09/03

📝 题解：

I/O 多路复用是一种允许单个线程同时监控多个文件描述符（如套接字）的机制，用于高效处理并发 I/O 操作。select 和 epoll 是两种实现方式，但它们在性能、扩展性和使用方式上有显著差异。

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1. select

核心原理

• 文件描述符集合：通过三个位图（read_fds, write_fds, except_fds）监控读、写和异常事件。
• 阻塞监听：调用 select 时，将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，内核遍历所有描述符检查就绪状态。
• 水平触发（LT）**：只要描述符处于就绪状态，每次调用 select 都会报告。

工作流程

1. 初始化描述符集合，设置需要监控的 fd。
2. 调用 select，阻塞等待事件发生。
3. 内核遍历所有 fd，标记就绪状态。
4. 用户遍历所有 fd，找出就绪的描述符进行处理。
5. 重复上述步骤。

缺点

• 时间复杂度 O(n)：每次调用需遍历所有 fd，性能随 fd 数量增加线性下降。
• 文件描述符限制：默认最大 1024（由 FD_SETSIZE 定义）。
• 重复拷贝开销：每次调用需将 fd 集合从用户态拷贝到内核态。
• 无法动态修改：每次调用后需重置监控集合。

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2. epoll

核心原理

• 事件驱动：内核通过红黑树维护监控的 fd，仅关注活跃事件。
• 就绪列表：内核维护一个就绪列表，当 fd 状态变化时直接加入列表，无需遍历全部 fd。
• 触发模式：
  • 水平触发（LT）：默认模式，只要 fd 就绪就会通知。
  • 边缘触发（ET）：仅在状态变化时通知一次，需用户一次性处理所有数据。

工作流程

1. 调用 epoll_create 创建 epoll 实例。
2. 调用 epoll_ctl 注册需要监控的 fd 及事件（可动态增删）。
3. 调用 epoll_wait 阻塞等待事件，内核返回就绪事件列表。
4. 用户直接处理就绪事件，无需遍历所有 fd。

优点

• 时间复杂度 O(1)：仅处理就绪事件，与总 fd 数量无关。
• 无文件描述符限制：支持数万甚至数十万并发连接。
• 零拷贝：通过 epoll_ctl 注册后，无需重复传递 fd 集合。
• 高效事件通知：边缘触发减少重复通知次数。

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3. select vs epoll 对比

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4. 性能差异示例

• 10,000 个空闲连接：
  • select 需要遍历所有 10,000 个 fd，每次调用耗时高。
  • epoll 仅处理活跃事件（可能为 0），几乎无额外开销。
• 100 个活跃连接：
  • select 仍需遍历 10,000 个 fd。
  • epoll 直接返回 100 个就绪事件，效率碾压。

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5. 适用场景

• select：
  • 跨平台兼容性要求高（Windows/Linux/Unix）。
  • 连接数少且活跃度高（如简单客户端工具）。
• epoll：
  • Linux 高并发服务（如 Web 服务器、实时通信系统）。
  • 长连接场景（如 WebSocket、游戏服务器）。

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总结

• select 简单但性能受限，适合低并发或跨平台场景。
• epoll 高效且扩展性强，是 Linux 高并发服务的首选。
• 边缘触发（ET） 需配合非阻塞 I/O 使用，适合追求极致性能的场景。

实际开发中，Nginx、Redis 等高性能服务均基于 epoll 实现，而传统小型工具可能仍使用 select 或 poll。