编辑“︁C 语言多路复用”︁

{{Note|本教程假设读者已掌握基础C语言语法及Linux系统调用概念。}}

= C语言多路复用 =

多路复用（Multiplexing）是网络编程中一种高效处理多个I/O流的机制，允许单个进程/线程同时监控多个文件描述符（如套接字）。在C语言中，主要通过'''select'''、'''poll'''和'''epoll'''三种系统调用实现。

== 核心概念 ==
多路复用解决的核心问题是：'''如何避免为每个连接创建独立线程/进程带来的资源消耗'''。其数学模型可表示为：
<math> \text{效率} = \frac{\text{有效事件数}}{\text{系统调用次数}} </math>

典型应用场景包括：
* 聊天服务器
* 实时数据采集系统
* HTTP代理服务器

=== 工作原理对比 ===
<mermaid>
flowchart TD
    A[阻塞I/O] -->|单线程阻塞| B(低效)
    C[多线程I/O] -->|线程切换开销| D(高内存占用)
    E[多路复用] -->|事件驱动| F(高效低耗)
</mermaid>

== select系统调用 ==
最古老的多路复用实现，通过位掩码监控文件描述符集合。

=== 函数原型 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
</syntaxhighlight>

=== 示例：监控标准输入 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>

int main() {
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    
    while(1) {
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(0, &readfds); // 监控stdin
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 0;

        int ret = select(1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
        if (ret == -1) {
            perror("select");
        } else if (ret) {
            if(FD_ISSET(0, &readfds)) {
                printf("Data available on stdin\n");
                char buf[256];
                fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
                printf("You typed: %s", buf);
            }
        } else {
            printf("Timeout occurred\n");
        }
    }
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出示例：'''
<pre>
（等待5秒）
Timeout occurred
（用户输入"hello"后回车）
Data available on stdin
You typed: hello
</pre>

=== select的局限性 ===
* 文件描述符数量限制（通常1024）
* 每次调用需重新设置fd_set
* 线性扫描所有描述符

== poll系统调用 ==
改进select的设计，使用链表结构避免数量限制。

=== 函数原型 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
</syntaxhighlight>

=== 结构体定义 ===
<syntaxhighlight lang="c">
struct pollfd {
    int   fd;         // 文件描述符
    short events;     // 监控的事件
    short revents;    // 实际发生的事件
};
</syntaxhighlight>

== epoll系统调用 ==
Linux特有的高效实现，采用事件回调机制。

=== 三种关键操作 ===
<syntaxhighlight lang="c">
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);
</syntaxhighlight>

=== 性能对比表 ===
{| class="wikitable"
|-
! 方法 !! 时间复杂度 !! 最大fd数 !! 触发方式
|-
| select || O(n) || FD_SETSIZE || 水平触发
|-
| poll || O(n) || 无限制 || 水平触发
|-
| epoll || O(1) || 系统限制 || 水平/边缘触发
|}

== 实际案例：简易聊天服务器 ==
以下展示使用epoll的服务器核心逻辑：

<syntaxhighlight lang="c">
#define MAX_EVENTS 10

struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int epoll_fd = epoll_create1(0);

// 添加监听socket到epoll
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev);

while(1) {
    int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
    for(int i = 0; i < nfds; i++) {
        if(events[i].data.fd == listen_sock) {
            // 处理新连接
            int conn_sock = accept(listen_sock, NULL, NULL);
            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发模式
            ev.data.fd = conn_sock;
            epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev);
        } else {
            // 处理客户端数据
            char buf[1024];
            int len = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
            if(len > 0) {
                // 广播给所有客户端
                for(每个已连接客户端) {
                    write(client_fd, buf, len);
                }
            }
        }
    }
}
</syntaxhighlight>

== 触发模式详解 ==
* '''水平触发（LT）'''：只要文件描述符就绪就会持续通知
* '''边缘触发（ET）'''：仅当状态变化时通知一次

<mermaid>
stateDiagram-v2
    [*] --> 未就绪
    未就绪 --> 就绪: 数据到达(ET/LT)
    就绪 --> 未就绪: 数据读完(仅ET)
    就绪 --> 就绪: 仍有数据(LT持续通知)
</mermaid>

== 最佳实践建议 ==
1. 小规模连接（<1000）：poll/select更便携
2. 大规模高并发：优先选择epoll
3. 边缘触发需配合非阻塞I/O使用
4. 注意处理EAGAIN/EWOULDBLOCK错误

{{Warning|多路复用不解决所有问题，CPU密集型任务仍需配合多线程/进程}}

== 扩展思考 ==
* 与多线程模型的性能对比
* 在不同操作系统上的移植性考虑（kqueue, IOCP）
* 与异步I/O（AIO）的关系与区别

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