一、五种 IO 模型

IO 的本质 = "等待数据就绪" + "将数据从内核拷贝到用户空间"，五种模型的区别在于这两个阶段如何等待。

1.1 阻塞 IO（Blocking IO）

用户进程                    内核
  │                          │
  │── recvfrom ─────────────→│
  │    阻塞等待               │ 等待数据就绪
  │    (进程挂起)             │
  │                          │ 数据就绪，拷贝到用户空间
  │←────────── 返回数据 ──────│
  │ 继续执行                  │

• 特点：整个 IO 过程（等待+拷贝）全程阻塞，进程被挂起
• 优点：编程简单，无需轮询
• 缺点：一个进程同一时刻只能处理一个 IO，并发能力差

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1.2 非阻塞 IO（Non-Blocking IO）

用户进程                    内核
  │── recvfrom ────────────→ │ 数据未就绪
  │←── 立即返回 EWOULDBLOCK ──│
  │── recvfrom ────────────→ │ 数据未就绪
  │←── 立即返回 EWOULDBLOCK ──│
  │── recvfrom ────────────→ │ 数据就绪
  │    等待拷贝               │ 拷贝到用户空间
  │←────────── 返回数据 ──────│

• 特点：recvfrom 立即返回，数据未就绪时返回错误码 EWOULDBLOCK，应用层需不断轮询
• 优点：不会阻塞进程，可以处理其他事情
• 缺点：需要持续轮询，消耗大量 CPU

📌 设置非阻塞方式：fcntl(sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

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1.3 IO 多路复用（IO Multiplexing）⭐

用户进程                    内核
  │── select/poll/epoll ───→ │ 监听多个 fd
  │    阻塞等待               │ 等待任意 fd 就绪
  │←── 有 fd 就绪，返回 ──────│
  │── recvfrom ────────────→ │ 数据就绪，拷贝
  │←────────── 返回数据 ──────│

• 特点：用一个线程同时监听多个 fd，任意一个就绪则返回处理
• 优点：单线程可以处理大量并发连接，高效
• 缺点：比单纯阻塞 IO 多了一次系统调用（select/epoll）
• 典型函数：select()、poll()、epoll()

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1.4 信号驱动 IO（Signal Driven IO）

用户进程                    内核
  │── 设置 SIGIO 信号处理函数 │
  │── sigaction ───────────→ │ 注册信号
  │ 继续执行其他代码           │ 等待数据就绪
  │                          │
  │←────────── SIGIO 信号 ───│ 数据就绪，发信号
  │── 在信号处理函数中 recvfrom │ 拷贝数据
  │←────────── 返回数据 ──────│

• 特点：内核在数据就绪时发送 SIGIO 信号通知进程，进程在信号处理函数中读取数据
• 优点：等待阶段不阻塞，CPU 利用率较高
• 缺点：大量 IO 时信号处理函数频繁触发，调试复杂，实际使用较少

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1.5 异步 IO（Asynchronous IO）

用户进程                    内核
  │── aio_read ───────────→  │ 注册异步读请求
  │ 继续执行其他代码           │ 等待数据就绪
  │                          │ 数据就绪 + 自动拷贝到用户空间
  │←─── 完成信号通知 ─────────│ 整个 IO 完成
  │ 直接使用数据               │

• 特点：整个 IO（等待+拷贝）全部由内核完成，完成后通知进程，进程无需等待
• 优点：真正的"全程非阻塞"，CPU 利用率最高
• 缺点：Linux 下支持有限（AIO 接口功能较弱），编程复杂

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1.6 五种 IO 模型对比

IO 模型	等待数据阶段	数据拷贝阶段	编程复杂度	性能
阻塞 IO	阻塞	阻塞	最简单	最低
非阻塞 IO	非阻塞（轮询）	阻塞	简单	低（CPU浪费）
IO 多路复用	阻塞（select等）	阻塞	中等	高
信号驱动 IO	非阻塞（信号）	阻塞	复杂	较高
异步 IO	非阻塞	非阻塞（内核完成）	最复杂	最高

📌 实际开发常用：阻塞IO（简单场景）+ IO多路复用（高并发场景）

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二、IO 多路复用 —— select

2.1 select 函数

项目	内容
所需头文件	#include <sys/select.h> #include <sys/time.h>
函数原型	int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能	同时监听多个文件描述符，等待其中任意一个就绪

参数说明：

参数	说明
nfds	监听的所有 fd 中最大 fd 值 + 1
readfds	监听可读事件的 fd 集合（NULL 表示不监听）
writefds	监听可写事件的 fd 集合（NULL 表示不监听）
exceptfds	监听异常事件的 fd 集合（NULL 表示不监听）
timeout	超时时间：NULL=永久阻塞；{0,0}=立即返回（轮询）；指定值=超时返回

返回值：

情况	返回值
成功	返回就绪的 fd 总数
超时	返回 0
失败	返回 -1，设置 errno

⚠️ select 调用后会修改 fd_set，每次调用前必须重新设置 fd_set！

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2.2 fd_set 操作宏

宏函数	功能
FD_ZERO(fd_set *set)	清空 fd 集合（使用前必须先清零）
FD_SET(int fd, fd_set *set)	将 fd 加入集合
FD_CLR(int fd, fd_set *set)	将 fd 从集合中移除
FD_ISSET(int fd, fd_set *set)	判断 fd 是否在集合中就绪（返回非0表示就绪）

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2.3 struct timeval 结构体

c

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struct timeval {
    long tv_sec;    // 秒
    long tv_usec;   // 微秒（1秒 = 1000000微秒）
};

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2.4 select 使用示例（TCP 服务端监听）

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2.5 select 的局限性

缺点	说明
最大 fd 数量限制	FD_SETSIZE 默认为 1024，最多同时监听 1024 个 fd
每次需重置 fd_set	select 调用后会修改 fd_set，每次循环都要重新设置，效率低
O(n) 遍历	返回后需遍历所有 fd 找出就绪的，fd 数量大时效率低
内核态/用户态数据拷贝	每次调用都需要将 fd_set 从用户态拷贝到内核态

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三、IO 多路复用 —— poll

3.1 poll 函数

项目	内容
所需头文件	#include <poll.h>
函数原型	int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能	监听多个 fd 上的事件，克服 select 的 fd 数量限制

参数说明：

参数	说明
fds	struct pollfd 数组，每个元素描述一个要监听的 fd 及其事件
nfds	数组中元素的个数（监听的 fd 总数）
timeout	超时时间（毫秒）：-1=永久阻塞；0=立即返回；>0=等待指定毫秒

返回值： 就绪 fd 数（成功），0（超时），-1（失败）

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3.2 struct pollfd 结构体

c

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struct pollfd {
    int   fd;         // 监听的文件描述符
    short events;     // 注册要监听的事件（输入参数）
    short revents;    // 实际发生的事件（输出参数，内核填写）
};

events / revents 常用标志：

标志	值	含义
POLLIN	0x0001	有数据可读（最常用）
POLLOUT	0x0004	可以写入数据
POLLERR	0x0008	fd 发生错误（仅出现在 revents）
POLLHUP	0x0010	对端挂断（连接断开）
POLLNVAL	0x0020	fd 无效（非合法描述符）

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3.3 poll vs select 对比

对比点	select	poll
fd 数量	最多 1024（受 FD_SETSIZE 限制）	无上限（由内存决定）
fd 集合重置	每次调用前需重置	不需要，通过 revents 区分
监听方式	三个 fd_set 位图	pollfd 数组
底层遍历	O(n)	O(n)

📌 poll 解决了 select 的 1024 fd 限制，但两者都需要 O(n) 遍历，并发量大时性能仍有瓶颈

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四、IO 多路复用 —— epoll ⭐（推荐）

4.1 epoll 三个核心函数

① epoll_create —— 创建 epoll 实例

项目	内容
所需头文件	#include <sys/epoll.h>
函数原型	int epoll_create(int size);
功能	在内核中创建一个 epoll 事件表（红黑树 + 就绪链表）
参数 size	Linux 2.6.8 后该参数已被忽略，传入大于 0 的数即可（如 1）

返回值： 成功返回 epoll 文件描述符（epfd），失败返回 -1

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② epoll_ctl —— 管理监听列表

项目	内容
所需头文件	#include <sys/epoll.h>
函数原型	int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
功能	向 epoll 实例中添加/修改/删除要监听的 fd

参数说明：

参数	说明
epfd	epoll_create 返回的 epoll fd
op	操作类型（见下表）
fd	要操作的目标 fd
event	要监听的事件（op=EPOLL_CTL_DEL 时可传 NULL）

op 操作类型：

op 值	含义
EPOLL_CTL_ADD	添加新的 fd 到 epoll 监听列表
EPOLL_CTL_MOD	修改已监听 fd 的事件
EPOLL_CTL_DEL	从 epoll 监听列表中删除 fd

返回值： 成功返回 0，失败返回 -1

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③ epoll_wait —— 等待事件就绪

项目	内容
所需头文件	#include <sys/epoll.h>
函数原型	int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
功能	阻塞等待，直到有 fd 就绪，将就绪事件填入 events 数组

参数说明：

参数	说明
epfd	epoll fd
events	输出参数，存储就绪事件的数组（调用方分配内存）
maxevents	events 数组的最大容量
timeout	超时时间（毫秒）：-1=永久阻塞；0=立即返回；>0=等待指定毫秒

返回值：

情况	返回值
成功	返回就绪事件的数量（只需遍历这几个，不用遍历所有 fd！）
超时	返回 0
失败	返回 -1

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4.2 struct epoll_event 结构体

c

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struct epoll_event {
    uint32_t     events;   // 监听/就绪的事件类型（EPOLLIN、EPOLLOUT 等）
    epoll_data_t data;     // 用户数据（通常存 fd）
};

typedef union epoll_data {
    void        *ptr;
    int          fd;       // 最常用：存储 fd
    uint32_t     u32;
    uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

events 常用标志：

标志	含义
EPOLLIN	有数据可读
EPOLLOUT	可以写入
EPOLLERR	fd 发生错误
EPOLLHUP	对端挂断
EPOLLET	设置为边缘触发模式（Edge Triggered）
EPOLLONESHOT	只触发一次，触发后需重新注册

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4.3 LT 模式 vs ET 模式

模式	全称	触发条件	特点
LT（默认）	Level Triggered 水平触发	只要缓冲区中有数据未读，就一直通知	编程简单，不易漏数据；效率相对低
ET	Edge Triggered 边缘触发	只在数据到来的瞬间通知一次	效率高；但必须一次性读完所有数据，否则不再通知，容易漏数据

⚠️ ET 模式下必须将 fd 设为非阻塞，并用循环读完所有数据：

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fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);  // 设置非阻塞
while ((n = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0) { ... }

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4.4 epoll 使用示例

c

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五、select / poll / epoll 对比

对比项	select	poll	epoll
fd 上限	1024（FD_SETSIZE）	无限制	无限制
fd 集合重置	每次调用前必须重置	不需要（revents自动更新）	不需要（内核维护）
底层实现	fd_set 位图	pollfd 数组	红黑树 + 就绪链表
遍历就绪 fd	O(n) 遍历全部	O(n) 遍历全部	O(就绪数量)，效率高
内核/用户态拷贝	每次都拷贝	每次都拷贝	仅在注册时拷贝一次
触发模式	仅 LT	仅 LT	LT + ET 两种
适用场景	连接数少，可移植性要求高	连接数多，跨平台	高并发（推荐，Linux 专用）
性能	低（fd多时急剧下降）	中等	最高

📌 实际工程首选 epoll，Nginx/Redis 都使用 epoll 实现高并发 IO

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六、并发服务器 —— 多进程模型

6.1 多进程模型原理

主进程
  │── accept() 接收新连接 ──→ 新客户端
  │── fork() 创建子进程
  │       │
  │      子进程1：负责与客户端1通信（recv/send循环）
  │
  │── accept() 接收新连接 ──→ 新客户端
  │── fork() 创建子进程
  │       │
  │      子进程2：负责与客户端2通信
  │
（父进程只负责accept+fork，子进程负责具体通信）

关键要点：

要点	说明
父进程关闭 connfd	fork 后父进程必须 close(connfd)，否则 fd 泄漏
子进程关闭 listenfd	子进程不需要监听，必须 close(listenfd)
僵尸进程处理	子进程退出后父进程需回收，用 SIGCHLD 信号 + waitpid(-1, NULL, WNOHANG) 处理

6.2 多进程并发服务器代码框架

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七、并发服务器 —— 多线程模型

7.1 多线程模型原理

主线程
  │── accept() ──→ 新连接 connfd
  │── pthread_create() 创建子线程
  │       │
  │      子线程1：recv/send 与客户端1通信
  │
  │── accept() ──→ 新连接 connfd
  │── pthread_create() 创建子线程
  │       │
  │      子线程2：recv/send 与客户端2通信

与多进程区别：

对比项	多进程	多线程
资源开销	大（进程独立内存空间）	小（共享内存）
数据共享	需 IPC（管道/共享内存等）	直接共享全局变量（需加锁）
创建速度	慢	快
健壮性	高（一个进程崩溃不影响其他）	低（一个线程崩溃影响全程序）

7.2 多线程并发服务器代码框架

c

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⚠️ 传递 connfd 给线程时，不能直接传栈地址（如 &connfd），应用堆内存或结构体，避免多线程竞争！

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八、并发服务器 —— IO 多路复用模型

用单个进程 + epoll，同时管理成千上万个连接，是高并发服务器的核心方案

8.1 epoll 并发服务器完整流程

单线程主循环
  │
  ├── epoll_ctl(ADD, listenfd, EPOLLIN)    // 监听新连接
  │
  └── while(1):
        epoll_wait() 阻塞等待就绪事件
          │
          ├── listenfd 就绪 → accept() 接收新连接 → epoll_ctl(ADD, connfd, EPOLLIN)
          │
          └── connfd 就绪  → recv() 读数据 → 处理 → send() 回复
                           → 若 recv() 返回0 → epoll_ctl(DEL) → close()

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九、三种并发模型对比

对比项	多进程	多线程	IO 多路复用（epoll）
并发原理	每个连接一个进程	每个连接一个线程	单线程管理所有连接
资源消耗	高（进程开销大）	中（线程比进程轻量）	低（无额外线程/进程）
最大并发	受系统进程数限制（几百~几千）	受线程栈内存限制（几千）	极高（十万+连接）
数据共享	隔离（需IPC）	共享（需加锁）	单线程无竞争问题
编程复杂度	中（需处理僵尸进程）	中（需注意线程安全）	高（需事件驱动思维）
健壮性	最好（进程隔离）	中	中
适用场景	低并发、强隔离需求	中等并发、数据共享频繁	高并发（Nginx/Redis 方案）

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十、总结速记卡

知识点	核心记忆
阻塞IO	等待+拷贝全程阻塞，最简单
非阻塞IO	O_NONBLOCK，轮询返回 EWOULDBLOCK，浪费CPU
IO多路复用	select/poll/epoll 监听多 fd，有就绪才处理
select限制	最多1024个fd，每次需重置fd_set，O(n)遍历
poll改进	无 fd 数量限制，但仍需 O(n) 遍历
epoll优势	红黑树+就绪链表，O(就绪数)，支持ET，高并发首选
LT vs ET	LT=有数据就通知（默认）；ET=数据到来时通知一次（需非阻塞读完）
epoll三函数	epoll_create → epoll_ctl(ADD/MOD/DEL) → epoll_wait
多进程并发	fork后父关connfd、子关listenfd；SIGCHLD+waitpid防僵尸
多线程并发	pthread_detach分离；传参用堆内存，防止竞争
epoll并发	单线程+事件驱动，并发量最大，适合高性能服务器
Nginx/Redis	均采用 epoll + 事件驱动 实现高并发