C语言多路复用[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

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： $效率 = \frac{有效事件数}{系统调用次数}$

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[编辑 | 编辑源代码]

select系统调用[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

#include <sys/select.h>

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

示例：监控标准输入[编辑 | 编辑源代码]

#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;
}

输出示例：

（等待5秒）
Timeout occurred
（用户输入"hello"后回车）
Data available on stdin
You typed: hello

select的局限性[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

改进select的设计，使用链表结构避免数量限制。

函数原型[编辑 | 编辑源代码]

#include <poll.h>

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

结构体定义[编辑 | 编辑源代码]

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
};

epoll系统调用[编辑 | 编辑源代码]

Linux特有的高效实现，采用事件回调机制。

三种关键操作[编辑 | 编辑源代码]

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);

性能对比表[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

以下展示使用epoll的服务器核心逻辑：

#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);
                }
            }
        }
    }
}

触发模式详解[编辑 | 编辑源代码]

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

最佳实践建议[编辑 | 编辑源代码]

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

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扩展思考[编辑 | 编辑源代码]

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