IO复用
一、什么是IO复用？
1.1 IO
首先，什么是IO？
1.2 五种IO模型
IO模型都有哪些？
《Unix网络编程卷1：套接字联网API》（即UNP）中第六章对unix 系统将IO模型分为五类：阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动，异步IO。
以上两节在此文章中有详细的解释，我们首先从大的框架中了解IO模型，以及它们各自的运行流程，以及优缺点，之后再详细了解select、poll和epoll模型。
理解一下5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO
1.3 IO多路复用
1.3.1 引出IO多路复用
首先，从常用的IO操作谈起，比如read和write，这是阻塞IO，也就是说当你调用read时，如果没有数据收到，那么线程或者进程就会被挂起，直到收到数据。
考虑一个场景：
假设服务器需要处理 1000 个连接，会需要 1000 个进程和线程，而正常情况下，1000个线程大部分是被阻塞起来的。
由于CPU的核数或超线程数一般都不大，比如4,8,16,32,64,128，比如4个核要跑1000个线程，那么每个线程的时间槽非常短，而线程切换非常频繁。这样是有问题的：
1、线程是有内存开销的，1个线程可能需要512K（或2M）存放栈，那么1000个线程就要512M（或2G）内存。
2、线程的切换，或者说上下文切换是有CPU开销的，当大量时间花在上下文切换的时候，分配给真正的操作的CPU就要少很多。
于是引出了非阻塞IO，通过fcntl（POSIX）或ioctl（Unix）设为非阻塞模式，这时，当你调用read时，如果有数据收到，就返回数据，如果没有数据收到，就立刻返回一个错误，如EWOULDBLOCK。这样是不会阻塞线程了，但是你还是要不断的轮询来读取或写入。
但是即使不需要等待了，对系统的性能提升还是非常小的，它们本质上都是一个 进程/线程 处理一个 IO。我们有什么办法让一个 进程/线程去处理多个IO呢，这样效率就大大提高了。这就引出了第三个IO模型，即IO多路复用。
对以上过程的描述，这篇文章中也有，并且附带了代码，感兴趣的可以看看：
彻底理解 IO 多路复用实现机制
1.3.2 IO多路复用介绍
IO多路复用(Multiplexing I/O) 是一种用于同时监视和处理多个输入/输出IO的技术，它允许一个进程同时监听和处理多个文件描述符（socket、文件、管道等），从而实现高效的事件驱动模型。
应用程序可以将多个I/O源注册到多路复用器中，并在多路复用器上等待事件的发生，一旦有事件就绪，程序就可以针对这些就绪的事件进行相应的操作。
这样在处理1000个连接时，只需要1个线程监控就绪状态，对就绪的每个连接开一个线程处理就可以了，这样需要的线程数大大减少，减少了内存开销和上下文切换的CPU开销。
IO多路复用有三种：select、poll 和 epoll
二、select、poll
有关它们的执行过程，优缺点，这个视频有动画，讲的很直观：
b站视频讲解
三、epoll
3.1 epoll 引入
有关select和poll，它们两个都是采用了轮询的方式扫描是否有就绪事件，而且都需要将文件描述符集合(fd)从用户态到内核态，内核态到用户态整个拷贝，这个开销在 fd 很多的时候会变得很大。
上文假设了有 1000 个连接的情况，再考虑一个场景：有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收TCP包)，也就是说在每一时刻进程只需要处理这100万连接中的一小部分连接。那么，如何才能高效的处理这种场景呢？
如果每次收集事件时，都把100万连接的套接字传给操作系统（这首先是用户态内存到内核态内存的大量复制），而由操作系统内核寻找这些连接上有没有未处理的事件，将会是巨大的资源浪费，然后select和poll就是这样做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。而epoll不这样做，它在Linux内核中申请了一个简易的文件系统，把原先的一个select或poll调用分成了3部分：
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
1、 调用 epoll_create 建立一个 epoll 对象（在epoll文件系统中给这个句柄分配资源）；
2、 调用 epoll_ctl 向 epoll 对象中添加这100万个连接的套接字；
3、 调用 epoll_wait 收集发生事件的连接。
这样只需要在进程启动时建立 1 个 epoll 对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了，因此，在实际收集事件时，epoll_wait 的效率就会非常高，因为调用 epoll_wait 时并没有向它传递这100万个连接，内核也不需要去遍历全部的连接。
与select相比，epoll分清了频繁调用和不频繁调用的操作。例如，epoll_ctl是不太频繁调用的，而epoll_wait是非常频繁调用的。这时，epoll_wait却几乎没有入参，这比select的效率高出一大截，而且，它也不会随着并发连接的增加使得入参越发多起来，导致内核执行效率下降。
3.2 epoll 介绍
本节是参考了此文章：Linux下的I/O复用与epoll详解 ， 讲的很好，我就不cv了
要深刻理解epoll，首先得了解epoll的三大关键要素：mmap(内存映射)、红黑树、链表。
… …
3.3 epoll 函数
在上文 3.1 epoll 引入 中提到这三个函数，下面详细介绍。
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
1、 调用 epoll_create 建立一个 epoll 对象
（在epoll文件系统中给这个句柄分配资源）
int epoll_create(int size);
/*
size 用来告诉内核这个监听的数目一共有多大，这个参数不同于 select () 中的第一个参数，给出最大监听的 fd+1 的值，参数 size 并不是限制了 epoll 所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。当创建好 epoll 句柄后，它就会占用一个 fd 值，在 linux 下如果查看 /proc/ 进程 id/fd/，是能够看到这个 fd 的，所以在使用完 epoll 后，必须调用 close () 关闭，否则可能导致 fd 被耗尽。
*/
2、 调用 epoll_ctl 向 epoll 对象中添加这100万个连接的套接字；
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
函数是对指定描述符 fd 执行 op 操作。- epfd：是 epoll_create () 的返回值。- op：表示 op 操作，用三个宏来表示：添加 EPOLL_CTL_ADD，删除 EPOLL_CTL_DEL，修改 EPOLL_CTL_MOD。分别添加、删除和修改对 fd 的监听事件。- fd：是需要监听的 fd（文件描述符）- epoll_event：是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event 结构如下：
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
//events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
3、 调用 epoll_wait 收集发生事件的连接。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
等待 epfd 上的 io 事件，最多返回 maxevents 个事件。参数 events 用来从内核得到事件的集合，maxevents 告之内核这个 events 有多大，这个 maxevents 的值不能大于创建 epoll_create () 时的 size，参数 timeout 是超时时间（毫秒，0 会立即返回，-1 将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回 0 表示已超时。
3.4 epoll 原理
参见这篇文章，讲的很好：
微信公众号-Linux 高性能服务 epoll 的本质，真的不简单
3.5 epoll 的两种触发模式（LT、ET）
二者之间的特点：
ET模式（边缘触发）只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据，缓冲区剩余未读尽的数据不会导致epoll_wait返回；
LT 模式（水平触发，默认）只要有数据都会触发，缓冲区剩余未读尽的数据会导致epoll_wait返回。
epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。
LT（水平触发）模式下，只要这个文件描述符还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作；
ET（边缘触发）模式下，在它检测到有 I/O 事件时，通过 epoll_wait 调用会得到有事件通知的文件描述符，对于每一个被通知的文件描述符，如可读，则必须将该文件描述符一直读到空，让 errno 返回 EAGAIN 为止，否则下次的 epoll_wait 不会返回余下的数据，会丢掉事件。
如果ET模式不是非阻塞的，那这个一直读或一直写势必会在最后一次阻塞。
还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。
四、面试题
前言
IO多路复用目前在大厂的面试中，一般在两个地方可能会被问到，一个是在问到网络这一块的时候，另一个是在问到 Redis 这一块的时候，因为 Redis 底层也是使用了IO多路复用，所以整体来说 IO多路复用，也算是一道比较高频的一个面试题。
题目
1、为什么 Redis 中要使用 I/O 多路复用这种技术呢？
2、select、poll、epoll之间的区别
3、epoll 水平触发（LT）与 边缘触发（ET）的区别？
epoll 参考文章
Linux下的I/O复用与epoll详解
微信公众号-Linux 高性能服务 epoll 的本质，真的不简单
Linux IO模式及 select、poll、epoll详解（含部分实例源码）