談?wù)勀銓O多路復(fù)用機制的理解
? 一位工作5年的小伙伴面試時被問到IO相關(guān)的問題，說，談?wù)勀銓O多路復(fù)用機制的理解。當時他說只是聽過多路復(fù)用，具體細節(jié)沒有了解過。今天，我給大家分享一下我的理解。
1.IO多路復(fù)用
IO多路復(fù)用是一種同步的IO模型。利用IO多路復(fù)用模型，可以實現(xiàn)一個線程監(jiān)視多個文件句柄；一旦某個文件句柄就緒，就能夠通知到對應(yīng)應(yīng)用程序進行相應(yīng)的讀寫操作；沒有文件句柄就緒時就會阻塞應(yīng)用程序，從而釋放出CPU資源。
IO可以理解為，在操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的讀、寫操作，大部分情況下是指網(wǎng)絡(luò)IO；
多路大部分情況下是指多個TCP連接，也就是多個Socket 或者多個Channel；
復(fù)用是指復(fù)用一個或多個線程資源。IO多路復(fù)用意思就是說，一個或多個線程處理多個 TCP 連接。盡可能地減少系統(tǒng)開銷，無需創(chuàng)建和維護過多的進程/線程。
實現(xiàn)IO多路復(fù)用的模型有三種，分別是Select、poll 和 epoll。下面詳細介紹一下三種多路復(fù)用模型的基本原理和優(yōu)缺點：
2.select模型
select模型，它的基本原理是，采用輪詢和遍歷的方式。也就是說，在客戶端操作服務(wù)器時，會創(chuàng)建三種文件描述符，簡稱FD。分別是writefds（寫描述符）、readfds（讀描述符）和 exceptfds（異常描述符）。
而select會阻塞監(jiān)視這三種文件描述符，等有數(shù)據(jù)、可讀、可寫、出異常或超時都會返回；
返回后通過遍歷fdset，也就是文件描述符的集合，來找到就緒的FD，然后，觸發(fā)相應(yīng)的IO操作。
它的優(yōu)點是跨平臺支持性好，幾乎在所有的平臺上支持。
它的缺點也很明顯，由于select是采用輪詢的方式進行全盤掃描，因此，隨著FD數(shù)量增多而導(dǎo)致性能下降。
因此，每次調(diào)用select()方法，都需要把FD集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，并進行遍歷。而操作系統(tǒng)對單個進程打開的FD數(shù)量是有限制的，一般默認是1024個。雖然，可以通過操作系統(tǒng)的宏定義FD_SETSIZE修改最大FD數(shù)量限制，但是，在IO吞吐量巨大的情況下，效率提升仍然有限。
3.poll模型
poll 模型的原理與select模型基本一致，也是采用輪詢加遍歷，唯一的區(qū)別就是 poll 采用鏈表的方式來存儲FD。
所以，它的優(yōu)點點是沒有最大FD的數(shù)量限制。
它的缺點和select一樣，也是采用輪詢方式全盤掃描，同樣也會隨著FD數(shù)量增多而導(dǎo)致性能下降。
4.epoll模型
由于select和poll都會因為吞吐量增加而導(dǎo)致性能下降，因此，才出現(xiàn)了epoll模型。
epoll模型是采用時間通知機制來觸發(fā)相關(guān)的IO操作。它沒有FD個數(shù)限制，而且從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)只需要一次。它主要通過系統(tǒng)底層的函數(shù)來注冊、激活FD，從而觸發(fā)相關(guān)的 IO 操作，這樣大大提高了性能。主要是通過調(diào)用以下三個系統(tǒng)函數(shù)：
（1）epoll_create()函數(shù)，在系統(tǒng)啟動時，會在Linux內(nèi)核里面申請一個B+樹結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，然后，返回epoll對象，也是一個FD。
（2）epoll_ctl()函數(shù)，每新建一個連接的時候，會同步更新epoll對象中的FD，并且綁定一個 callback回調(diào)函數(shù)。
（3）epoll_wait()函數(shù)，輪詢所有的callback集合，并觸發(fā)對應(yīng)的 IO 操作
所以，epoll模型最大的優(yōu)點是將輪詢改成了回調(diào)，大大提高了CPU執(zhí)行效率，也不會隨FD數(shù)量的增加而導(dǎo)致效率下降。當然，它也沒有FD數(shù)量限制，也就是說，它能支持的FD上限是操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)。一般而言，1G 內(nèi)存大概支持 10 萬個句柄。分布式系統(tǒng)中常用的組件如Redis、Nginx都是優(yōu)先采用epoll模型。
它的缺點是只能在Linux下工作。
5.綜合對比
下表是三種多路復(fù)用模型的綜合對比，有興趣的小伙伴可以截圖保存一下，或者到我的個人煮葉簡介中獲取。
好了，以上就是我對IO多路復(fù)用機制的理解。
