本節，我們介紹IO複用，透過簡單的例子演示IO複用的使用，以及實現原理，這個技術是目前構建目前的高效能伺服器必備技術，在後面我們介紹到各種網路程式設計模型的時候，會用到IO複用。
看完本文，您將瞭解到：
IO複用的執行流程；select函式的使用和優缺點，以及實現原理；poll函式的使用和優缺點，以及實現原理；epoll函式的使用和優缺點，以及實現原理；epoll的條件觸發和邊緣觸發，以及實現原理。1、I/O複用模型介紹I/O複用(I/O multiplexing)，指的是透過一個支援同時感知多個描述符的函式系統呼叫，阻塞在這個系統呼叫上，等待某一個或者幾個描述符準備就緒，就返回可讀條件。常見的如select，poll，epoll系統呼叫可以實現此類功能功能。這種模型不用阻塞在真正的I/O系統呼叫上。
工作原理如下圖所示：
如上圖，這種模型與非阻塞式I/O相比，把輪訓判斷資料是否準備好的處理方式替換為了透過select()系統呼叫的方式來實現。
常用的實現IO複用的相關函式有select，poll和epoll，接下來我們介紹下這三個函式。
2、select函式**select是實現I/O多路複用的經典系統呼叫函式。**select()可以同時等待多個套接字的變為可讀，只要有任意一個套接字可讀，那麼就會立刻返回，處理已經準備好的套接字了。
2.1、select函式定義#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);void FD_CLR(int fd, fd_set *set);int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);void FD_SET(int fd, fd_set *set);void FD_ZERO(fd_set *set);int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask);select函式引數：
int nfds：指定待測試的描述符的個數，它的值是待測試的最大描述符加1；fd_set readfds：指定要讓核心測試讀的描述符；fd_set writefds：指定要讓核心測試寫的描述符；fd_set exceptfds：指定要讓核心測試異常的描述符；timeval timeout：告知核心等待所制定描述符中的任何一個準備就緒的超時時間。其中有一個重要的結構體：fd_set，用於儲存描述符集，底層使用bitmap記錄描述符的。
與之相關的4個字：
FD_CLR：清除fdset中的所有bit位；FD_SET：開啟fdset中fd描述符對應的bit位；FD_ZERO：關閉fdset中fd描述符對應的bit位；FD_ISSET：判斷fd描述符對應的bit位是否開啟；2.2、select函式例子下面透過一個例子演示select是如何使用的，並且分析其執行原理。
這個例子開啟了一個監聽套接字，然後獲取5個客戶端連線，透過select函式判斷是否有資料到達伺服器端，如果有則讀取，我把詳細的註釋都加上了，下面重點介紹標註了序號的程式碼：
1、SOCKET呼叫socket建立一個監聽套接字，並拿到監聽套接字描述符；
2、BIND呼叫bind把本地協議地址賦予套接字；
3、LISTEN呼叫listen轉換為被動套接字，開始接受指向該套接字的連線請求；
4、得到MAXFD在獲取5個已連線套接字的過程中，判斷獲取到最大的套接字檔案描述符；
5、初始化FD_SET在迴圈裡面，每次重新呼叫select之前，都需要重新設定rset，在第7步我們解釋為什麼要這樣做；
fd_set是一個bitmap，由核心固定設定的大小，最大長度為1024，這也限制了我們最多隻能同時監聽1024個描述符。假如我們這裡得到的五個描述符是：1 2 5 6 8，那麼這個點陣圖會是這樣的：
6、SELECT函式傳入的待測試描述符+1這裡為什麼要加1呢？
根據第五步，可以知道，fd_set中的bitmap是從0開始的，所以rset實際有效的bitmap長度是待測試描述符+1。
7、往SELECT中傳入要讓核心測試讀的描述符，然後阻塞等待核心返回這一步的流程是這樣的：
應用程序呼叫了select之後，會把fd_set從使用者空間複製到核心空間，隨後應用程序進入阻塞；核心根據fd_set得到需要處理的描述符，根據描述符是否準備好資料，給fd_set進行置位；程序被喚醒，拿到核心處理過後的fd_set，就可以透過FD_ISSET判斷到套接字資料是否已經準備好了。8、判斷描述符是否可讀這裡會把已準備好的資料的套接字描述符對應的fd_set中的標識進行標記，透過FD_ISSET即可判斷到標記結果。
2.3、select函式優缺點2.3.1、優點非阻塞IO直接輪訓查詢資料是否準備好，每次查詢都要切換核心態，輪訓消耗CPU。而select函式則直接把查詢多個描述符的動作交給了核心，這樣避免了CPU消耗和減少了核心態的切換。
2.3.2、缺點根據上面的過程描述，我們可以知道select有如下缺點：
fd_set中的bitmap是固定1024位的，也就是說最多隻能監聽1024個套接字。當然也可以改核心原始碼，不過代價比較大；fd_set每次傳入核心之後，都會被改寫，導致不可重用，每次呼叫select都需要重新初始化fd_set；每次呼叫select都需要複製新的fd_set到核心空間，這裡會做一個使用者態到核心態的切換；拿到fd_set的結果後，應用程序需要遍歷整個fd_set，才知道哪些檔案描述符有資料可以處理。3、poll基於epoll的缺點，於是出現了第二個系統呼叫，poll，poll與核心互動的資料有所不同，並且突破了檔案描述符數量的限制。
3.1、poll函式定義下面是poll函式的定義：
#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); // 返回：若有就緒描述符則為其數目，若超時則為0，若出錯則為1poll函式引數：
pollfd * fds：指向一個結構陣列第一個元素的指標，每個元素，都是一個pollfd結構，用於指定測試某個給定描述符fd的條件，結構體格式如下：struct pollfd { int fd; /* 待檢測的檔案描述符 */ short events; /* 描述符上待檢測的事件型別 */ short revents; /* 返回描述符對應事件的狀態 */};接下來我們還是看具體的例子。
3.2、poll函式例子下面透過一個例子演示poll是如何使用的，並且分析其執行原理。
與select的例子很類似，開啟了一個監聽套接字，然後獲取5個客戶端連線，透過poll函式判斷是否有資料到達伺服器端，如果有則讀取，我把詳細的註釋都加上了，下面重點介紹標註了序號的程式碼：
1、設定POLLFD描述符這裡透過accept阻塞獲取已連線描述符，賦值給pollfd結構的fd中。
2、設定POLLFD事件然後給pollfd的events設定POLLIN，指定需要檢測POLLIN，即資料讀入。
3、POLL呼叫poll函式，傳入剛剛初始化好的pollfds，數量為5，超時時間為10秒。這裡進入阻塞等待，直到從核心返回。
與select類似，這一步的執行流程是這樣的：
應用程序呼叫了poll之後，會把poll_fd從使用者空間複製到核心空間，隨後應用程序進入阻塞；核心根據poll_fd的fd得到需要處理的描述符，根據描述符是否準備好資料，給poll_fd的revents進行置位；程序被喚醒，拿到核心處理過後的poll_fd，就可以透過與操作判斷到對應的事件是否被置位，從而知道套接字資料是否已經準備好了。4、判斷事件是否準備好從核心返回之後，我們迴圈判斷pollfds中每個元素的revents，透過與操作，看看POLLIN是否被置位了，如果置位了就說明資料已經準備好了。
5、重置事件這裡對revents進行了重置，下次就可以複用這個pollfds，繼續執行poll函數了。
3.3、poll函式優缺點3.3.1、優點與select類似，非阻塞IO直接輪訓查詢資料是否準備好，每次查詢都要切換核心態，輪訓消耗CPU，而poll則是把查詢多個描述符的動作交給了核心，避免了CPU消耗和減少了核心態的切換。與select相比，這裡不是用的bitmap，而是直接用poll_fd陣列，沒有1024個描述符的限制；這裡引入了poll_fd結構體，核心只是修改poll_fd結構體中的revents，這樣每次讀取資料的時候，重置revents，就可以複用poll_fd了，不用像select那樣反覆初始化一個新的rset。3.3.2、缺點每次呼叫poll都需要複製新的poll_fd到核心空間，這裡會做一個使用者態到核心態的切換；拿到poll_fd的結果後，應用程序需要遍歷整個poll_fd，才知道哪些檔案描述符有資料可以處理。4、epoll與poll不同，epoll本身不是系統呼叫，而是一種核心資料結構，它允許程序在多個檔案描述符上多路複用I / O。
4.1、epoll的相關函式4.1.1、EPOLL_CREATEepoll例項是透過epoll_create系統呼叫建立的，該系統呼叫將檔案描述符返回到epoll例項，函式定義如下：
#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);size引數向核心指示程序要監視的檔案描述符的數量，這有助於核心確定epoll例項的大小。從Linux 2.6.8開始，此引數將被忽略，因為epoll資料結構會隨著檔案描述符的新增或刪除而動態調整大小。
如下圖，使用者程序最終拿到了epoll例項的描述符 EPFD，以支援對epoll例項的訪問：
還有另一個系統呼叫epoll_create1，其定義如下：
int epoll_create1(int flags);flags引數可以為0或EPOLL_CLOEXEC。
設定為0時，epoll_create1的行為與epoll_create相同；設定EPOLL_CLOEXEC標誌後，當前程序派生的任何子程序將在執行前關閉epoll描述符，因此該子程序將無法再訪問epoll例項；4.1.2、EPOLL_CTL程序可以透過呼叫epoll_ctl將想要監視的檔案描述符新增到epoll例項。
向epoll例項註冊的所有檔案描述符統稱為epoll的興趣列表[1]，會包裝成epitem結構體，放到一顆紅黑樹rbr中：
在上圖中，使用者程序向epoll例項註冊了檔案描述符fd1，fd2，fd3，fd4，這是該epoll例項的興趣列表集。
當任何已註冊的檔案描述符準備好進行I/O時，它們就被放入事件就緒佇列。事件就緒佇列是興趣列表的一個子集。核心在接收到I/O準備好的事件回撥的時候，把rbr中的epitem移到事件就緒佇列。
epoll_ctl系統呼叫定義如下：
#include <sys/epoll.h>int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; /* 需要監視的檔案描述符 */ uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t; struct epoll_event { uint32_t events; /* 需要監視的Epoll事件，與poll一樣，基於mask的事件型別 */ epoll_data_t data; /* User data variable */ };可以透過呼叫epoll_wait系統呼叫來等到核心通知程序epoll例項的興趣列表上發生的事件，該事件將阻塞直到被監視的任何描述符準備好進行I/O操作為止。
函式定義如下：
#include <sys/epoll.h>int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);注意：epoll機制是在Linux 2.6之後引入的，所以Mac OS不支援。Mac OS下使用kqueue機制代替epoll實現IO複用。
1、定義EPOLL_EVENT定義一個epoll_event，儲存實際要監視的fd相關資訊，以及待接收epll_wait返回的就緒事件列表。
2、呼叫EPOLL_CREATE在核心中建立epoll例項，併發揮epfd檔案描述符。
3、設定EVENT.DATA.FDevent結構設定實際要監視的描述符。
4、設定EVENT.EVENTSevent和值實際要監視的事件。
5、呼叫EPOLL_CTL將要監視的event新增到epoll例項。
6、呼叫EPOLL_WAIT獲取核心epoll例項中興趣列表上發生的事件，即事件就緒佇列的內容，epoll_wait的返回值為就緒佇列的大小。
4.3、epoll原理解析[2]還是看看剛才那個圖：
這裡我們重點來看看epoll例項的以下相關結構體：
eventpoll epoll例項 rdllist：事件就緒佇列 rbr：用於快速查詢fd的紅黑樹 epitem：一個fd會對應建立一個epitem更詳細的實現細節，可以進一步閱讀epoll的原始碼[2]。
4.4、邊緣觸發與條件觸發先講下邊緣觸發和條件觸發的區別。
4.4.1、邊緣觸發當一個新增到epoll例項的epoll_event設定為EPOLLET邊緣觸發(edge-triggered)之後，如果後續有描述符的事件準備好了，呼叫epoll_wait就會把對應的epoll_event返回給應用程序，注意，在邊緣觸發模式下，只會返回已準備好的描述符的epoll_evnet一次，也就是說程式只有一次的處理機會。
4.4.2、條件觸發當把要新增到epoll例項的epoll_event設定為EPOLLLT條件觸發(level-triggered)時，只要已準備好的描述符沒有被處理完，下一次呼叫epoll_wait的時候，還是會繼續返回給應用程序處理。這是系統預設處理方式。
EPOLLET邊緣觸發的效率要比EPOLLLT高效，因為對於每個準備就緒的套接字，只會通知應用程序一次，但是這也要求程式設計師必須小心處理，不會留多次機會給你去補償處理套接字。
4.4.3、實現原理針對條件觸發，返回給核心空間的描述符會再次加入到就緒佇列中，那麼下次呼叫epoll_wait的時候，這些epoll_item將會被重新處理：呼叫檔案描述符的poll方法，確定事件是否還有效，如果還有效，那就繼續返回，從而實現了條件觸發。
而邊緣觸發的情況下，返回給核心空間的描述符則不會再次放回就緒佇列，所以只會返回一次。
4.5、epoll優缺點4.5.1、優點epoll每次呼叫epoll_wait的時候，不像poll呼叫一樣，每次都要傳遞結構體到核心空間，而是複用一個核心的epoll例項結構體，透過epfd進行引用，從而減小了系統開銷；epoll底層是套接字一旦有事件，就呼叫回撥立刻通知epoll例項，可以儘早的準備好事件就緒佇列，執行epoll_wait的時候相應的更快；epoll底層基於紅黑樹維護興趣事件列表，這樣每次套接字有新事件觸發回撥的時候，可以更快的找到套接字的epitem進行後續的處理；提供了效能更佳的邊緣觸發機制。正是因為epoll這麼多的優點，很多技術都是基於epoll實現的，如nginx、redis，以及Linux下Java的NIO。
4.5.2、缺點它還不是真正的非同步IO，還是要應用程序呼叫IO函式的時候，才把資料從核心複製到應用程序。