IO 多路复用

I/O 多路复用让一个线程同时等待多个文件描述符的就绪事件。它解决的是“如何高效等待很多连接”，并不自动解决协议拆包、业务耗时、线程安全或发送缓冲区管理问题。

基本工作方式

一个事件循环通常执行以下步骤：

将监听 socket 和客户端 socket 加入关注集合
                 ↓
等待：任意 fd 可读、可写或发生错误
                 ↓
遍历本次就绪事件
                 ↓
accept / recv / send，并更新连接状态
                 ↓
继续等待下一轮事件

对于 TCP 服务端，监听 socket 可读通常表示有新连接等待 accept()；客户端 socket 可读可能表示有正文、收到 FIN，或出现错误，必须调用 recv() 进一步确认。

就绪不是完成

多路复用接口通常给出的是就绪通知：

事件	通常表示	仍需做什么
可读	接收缓冲区有数据、收到 FIN 或有错误	调用 `recv()`；根据返回值区分正文、关闭和错误
可写	发送缓冲区有可用空间	仅在有待发送数据时调用 `send()`；处理部分发送
错误/挂起	连接异常或对端状态变化	检查接口错误标志，必要时 `getsockopt(SO_ERROR)` 或尝试读取

不要在所有连接上长期关注“可写”事件：多数正常 TCP socket 几乎一直可写，会导致事件循环不断被唤醒。只有发送缓冲区中有未发送的数据时才注册可写事件，数据发送完后立即取消关注。

`select()`

1 2	int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, timeval* timeout);

参数	说明
`nfds`	要监视的最大 fd 加一，不是 fd 的数量。
`readfds`	输入时是希望监听可读的集合；返回时只保留本次就绪的 fd。可传 `nullptr`。
`writefds`	输入时是希望监听可写的集合；返回时只保留本次就绪的 fd。可传 `nullptr`。
`exceptfds`	监听异常条件，网络程序通常较少单独使用。可传 `nullptr`。
`timeout`	最长等待时间；`nullptr` 表示无限等待，零值表示立即返回。调用后该对象的值可能被修改，应在每轮重新初始化。

返回值大于 0 表示就绪 fd 的数量，0 表示超时，-1 表示出错（EINTR 通常可重试）。

fd_set read_set;
FD_ZERO(&read_set);
FD_SET(listen_fd, &read_set);

const int ready = select(listen_fd + 1, &read_set, nullptr, nullptr, nullptr);
if (ready > 0 && FD_ISSET(listen_fd, &read_set)) {
    const int client_fd = accept(listen_fd, nullptr, nullptr);
    // 检查 client_fd，并把它加入下一轮关注集合
}

FD_SET、FD_CLR、FD_ISSET 和 FD_ZERO 用于操作集合。每轮调用前必须从“主集合”复制一份到工作集合，因为 select() 会修改传入集合。

局限性：fd_set 容量受 FD_SETSIZE 限制（许多系统默认是 1024，但不要把这个数当作可移植保证），每轮都需要复制集合并扫描 fd 范围。它适合小规模连接和需要较好可移植性的场景。

`poll()`

int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int   fd;
    short events;
    short revents;
};

参数 / 字段	说明
`fds`	`pollfd` 数组，数组中的每一项对应一个要监听的 fd。
`nfds`	数组元素数量。
`timeout`	等待毫秒数：`-1` 无限等待，`0` 立即返回，正数表示最长等待时间。
`pollfd::fd`	需要监听的 fd；设为负数可临时忽略该项。
`pollfd::events`	希望监听的事件，例如 `POLLIN`、`POLLOUT`。
`pollfd::revents`	调用返回后由内核填写的实际事件，调用前无需设置。

#include <poll.h>

pollfd item{};
item.fd = fd;
item.events = POLLIN;

const int ready = poll(&item, 1, 1000);
if (ready > 0) {
    if (item.revents & POLLIN) {
        // 调用 recv()
    }
    if (item.revents & (POLLERR | POLLHUP | POLLNVAL)) {
        // 处理错误、挂起或无效 fd
    }
}

poll() 没有 FD_SETSIZE 这样的固定集合上限，但每轮仍要遍历整个数组，连接数很大且大量空闲时成本会提高。POLLHUP 或 POLLERR 出现时也不应跳过读取：对端可能在关闭前仍留下可读取的数据。

Linux `epoll`

epoll 是 Linux 专用的事件通知机制，特别适合大量长连接。它把“注册关注的 fd”和“等待事件”分离，应用无需每轮把全部 fd 集合重新传给内核。

`epoll_create1()`：创建实例

1	int epoll_create1(int flags);

通常传 0；若传 EPOLL_CLOEXEC，新 fd 会在 exec 时自动关闭。成功返回 epoll 实例 fd，失败返回 -1。使用结束后也要 close(epoll_fd)。

`epoll_ctl()`：注册、修改或删除关注项

1	int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, epoll_event* event);

参数	说明
`epfd`	`epoll_create1()` 返回的实例 fd。
`op`	`EPOLL_CTL_ADD` 添加，`EPOLL_CTL_MOD` 修改，`EPOLL_CTL_DEL` 删除。
`fd`	要监听的目标 fd，例如监听 socket 或客户端 socket。
`event`	添加/修改时指定关注事件与用户数据；删除时通常传 `nullptr`。

epoll_event::events 常用标志：

标志	含义
`EPOLLIN`	可读事件
`EPOLLOUT`	可写事件
`EPOLLERR`	错误事件，应检查 `SO_ERROR` 或读写结果
`EPOLLHUP`	挂起事件，对端可能已经关闭
`EPOLLRDHUP`	对端关闭写方向；适合 TCP 半关闭检测
`EPOLLET`	使用边缘触发（ET）
`EPOLLONESHOT`	触发一次后暂停该 fd，需 `MOD` 重新激活

event.data 是联合体。简单示例可使用 event.data.fd = fd；实际项目常保存指向连接对象的指针，但必须确保对象在事件处理期间仍有效，避免悬空指针。

`epoll_wait()`：等待就绪事件

1	int epoll_wait(int epfd, epoll_event* events, int maxevents, int timeout);

参数	说明
`epfd`	epoll 实例 fd。
`events`	输出数组，接收本次就绪事件。
`maxevents`	输出数组容量，必须大于 `0`。
`timeout`	最长等待毫秒数：`-1` 无限等待，`0` 立即返回，正数表示超时。

返回值大于 0 时表示 events[0..n-1] 有效；0 表示超时；-1 表示错误，EINTR 通常可重试。

最小事件循环骨架：

#include <cerrno>
#include <cstdint>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>

constexpr int kMaxEvents = 128;
epoll_event events[kMaxEvents];

for (;;) {
    const int count = epoll_wait(epoll_fd, events, kMaxEvents, -1);
    if (count == -1) {
        if (errno == EINTR) continue;
        break;
    }

    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        const int fd = events[i].data.fd;
        const std::uint32_t mask = events[i].events;

        if (fd == listen_fd) {
            // accept 新连接；ET 模式下应循环 accept 到 EAGAIN
        } else {
            if (mask & EPOLLIN) {
                // 读取数据并进行协议解析；读到 0 表示对端关闭写方向
            }
            if (mask & EPOLLOUT) {
                // 继续发送待发送缓冲区中的剩余数据
            }
            if (mask & (EPOLLERR | EPOLLHUP | EPOLLRDHUP)) {
                // 根据读取结果、SO_ERROR 和协议状态完成清理
            }
        }
    }
}

上例仅展示分发流程。真实服务器还需要连接对象、输入输出缓冲区、超时定时器、协议解析、错误路径和资源上限管理。

LT 与 ET

模式	含义	行为
LT（默认）	水平触发	只要 fd 仍处于就绪状态，就会持续得到通知
ET（`EPOLLET`）	边缘触发	状态从未就绪变为就绪时通知；若没有读/写到尽头，可能不再收到提醒

LT 更容易写对，适合初学者。ET 必须搭配非阻塞 fd，并在收到事件后循环执行 accept()、recv() 或 send()，直到返回 EAGAIN / EWOULDBLOCK。

ET 读取伪代码：

for (;;) {
    char buffer[4096];
    const ssize_t n = recv(fd, buffer, sizeof(buffer), 0);

    if (n > 0) {
        // 追加到连接的输入缓冲区，解析可能完整的协议帧
    } else if (n == 0) {
        // 对端关闭
        break;
    } else if (errno == EINTR) {
        continue;
    } else if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
        break; // 已读空：本轮处理完成
    } else {
        // 真正错误，关闭连接
        break;
    }
}

ET 并不自动“更快”。如果连接数不大或逻辑复杂，LT 往往更稳妥；性能优化前应先通过压测确认瓶颈。

`EPOLLONESHOT` 与多线程

当多个工作线程同时等待同一个 epoll 实例时，EPOLLONESHOT 可避免同一 fd 的同类事件被多个线程并发处理。它触发一次后需要使用 EPOLL_CTL_MOD 重新注册事件，否则该 fd 不会再次触发。它只解决部分并发分发问题，连接对象的生命周期和缓冲区同步仍必须自行设计。

关闭一个已注册 fd 会自动将它从 epoll 兴趣列表移除，但应用仍应同步清理自己的连接对象、定时器和待发送数据。

BSD/macOS `kqueue`

kqueue 是 BSD/macOS 的事件通知机制，角色与 Linux epoll 类似。常见过滤器包括：

过滤器	含义
`EVFILT_READ`	可读事件
`EVFILT_WRITE`	可写事件
`EVFILT_TIMER`	定时器事件
`EVFILT_SIGNAL`	信号事件

它通过 kqueue() 创建队列、kevent() 同时提交变更并等待事件。跨平台项目通常使用成熟的事件库（如 libevent、libuv、Boost.Asio）屏蔽 epoll / kqueue 等差异。

接口选择

接口	平台	适合场景	主要限制
`select`	多数平台	小规模、教学、强调可移植性	集合容量限制，需每轮复制与扫描
`poll`	Unix-like	中小规模、接口简单	每轮扫描整个数组
`epoll`	Linux	大量长连接、高并发服务	Linux 专用，ET/生命周期处理复杂
`kqueue`	BSD/macOS	BSD/macOS 高并发服务	平台专用，接口与 epoll 不同

选择接口不是性能的全部。协议解析、业务逻辑、数据库、日志、TLS 和不受控的发送缓冲区都可能比事件通知机制更早成为瓶颈。

IO 多路复用

基本工作方式

就绪不是完成

select()

poll()

Linux epoll

epoll_create1()：创建实例

epoll_ctl()：注册、修改或删除关注项

epoll_wait()：等待就绪事件