I/O多路复用
你好，我是吴计可师，一个工作十多年的后端开发，曾就职京东、阿里等多家互联网头部企业。
文章可能会比较长，主要解析的非常详解，或涉及一些底层知识，供面试高阶难度用。可以根据自己实际理解情况合理取舍阅读
I/O多路复用机制 是一种高效的网络通信技术，允许程序同时监听多个 I/O 事件，提高系统对高并发请求的处理能力。它主要解决 单线程无法高效处理多个连接 的问题，在网络编程中至关重要。
I/O多路复用指通过一个或多个系统调用，使一个线程可以监控多个文件描述符（文件、套接字等）的 I/O 事件（如读、写、异常），一旦有事件就绪，程序可以进行相应处理。
本质：让单个线程高效地处理多个 I/O 连接。
关键优势：无需为每个连接创建一个线程或进程，节省资源，提高并发性能。
select
工作原理：
使用一个位图表示所有监听的文件描述符。
每次调用 select，内核会遍历所有文件描述符，检查哪些就绪。
优点：跨平台，简单易用。
缺点：
每次调用都需要遍历所有 fd，效率低，时间复杂度 O(n)。
文件描述符有上限（默认 1024）。
poll
工作原理：
使用一个链表存储所有文件描述符和监听的事件。
内核遍历链表检查就绪的文件描述符。
优点：没有文件描述符数量限制。
缺点：同样需要遍历所有 fd，效率较低。时间复杂度仍为 O(n)。
epoll（Linux特有）
工作原理：
采用 事件驱动机制，将文件描述符和事件注册到内核，内核维护就绪事件。
使用一个红黑树管理监听的文件描述符，就绪队列存储触发的事件。
事件通知机制，避免遍历所有文件描述符。
支持 水平触发（LT） 和 边缘触发（ET）。
优点：
效率高，时间复杂度接近 O(1)。
支持大量并发连接，性能优越。
缺点：Linux 特有，代码复杂度略高。
kqueue 和 IOCP
kqueue：FreeBSD 系统的 I/O多路复用机制，与 epoll 类似，提供高效事件通知。
IOCP（I/O Completion Port）：Windows 平台的高效 I/O 机制，基于异步事件通知。
传统线程/进程：
为每个 I/O 连接创建一个线程或进程，占用大量系统资源。
上下文切换开销大，效率低。
I/O多路复用：
单线程可同时处理多个连接，减少线程数量和上下文切换开销。
更适合高并发场景。
高并发网络服务器：Nginx、Redis、Netty 等框架使用 epoll 进行 I/O 多路复用。
即时通讯系统：需要监听大量连接的实时消息传输。
长连接场景：大量用户维持长连接，比如聊天室、WebSocket 等。
5.1 什么是水平触发（LT）和边缘触发（ET）？
水平触发（Level Triggered, LT）：
只要文件描述符上的 I/O 事件还未被处理，系统会持续通知应用程序。容易处理，但可能导致重复通知。
边缘触发（Edge Triggered, ET）：
只有在文件描述符的状态发生变化时，系统才会通知应用程序。
更高效，但要求程序确保一次性处理完所有数据。
5.2 为什么epoll比select和poll更高效？
事件驱动：epoll 使用事件通知机制，避免轮询所有文件描述符。
时间复杂度：epoll 的时间复杂度接近 O(1)，而 select 和 poll 为 O(n)。
无文件描述符限制：epoll 不受文件描述符数量限制。
就绪队列：epoll 维护一个就绪队列，只返回就绪的事件，减少了数据拷贝。
5.3 epoll的三种操作是什么？
epoll_create：创建一个 epoll 实例，返回一个文件描述符。
epoll_ctl：对文件描述符执行操作（添加、删除、修改）。
EPOLL_CTL_ADD：添加事件。
EPOLL_CTL_DEL：删除事件。
EPOLL_CTL_MOD：修改事件。
epoll_wait：等待事件发生，并返回就绪的事件。
5.4 epoll的红黑树和就绪队列分别用于什么？
红黑树：存储所有被监控的文件描述符和事件，方便快速增删改查。
就绪队列：存储已经触发的事件，epoll_wait 直接返回就绪事件，避免遍历。
5.5 在实际应用中，如何选择select、poll和epoll？
select：适合小规模连接，跨平台简单实现。
poll：适合中等规模连接，较 select 改进，无文件描述符上限。
epoll：适合大规模高并发场景，Linux 环境下首选。
实际应用：
Nginx 和 Redis 使用 epoll。
跨平台网络库可能基于 select/poll 实现。
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