2.9 Linux I/O多路复用机制：select、poll、epoll详解

一、select

基本原理：通过轮询方式检查文件描述符集合。

特点：

• 有最大文件描述符数量限制(FD_SETSIZE，通常1024)。
• 每次调用需要重新设置fd_set，select( )会破坏 fd_set，只保留就绪的 fd，因此必须每次重新设置。
• 线性扫描所有fd，即使只有一个 fd 需要就绪，效率随 fd 数量增加而下降。
• 每次调用都会全量拷贝 fd_set 两次，一次 用户态 -> 内核态，一次 内核态 -> 用户态。
• 如果第一遍内核轮询发现没有 fd 就绪会睡眠，当有 fd 就绪会再次唤醒进程，内核会再次轮询一遍，之后返回到用户态。

使用场景：跨平台兼容性要求高，fd 数量少的场景。

fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds); // 监控标准输入

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;
int ret = select(STDIN_FILENO + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
// -1 表示调用失败；0 表示超时，没有任何文件描述符就绪；>0 表示文件描述符就绪的数量
// 不填时间会无限等待

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <errno.h>

#define MAX_CLIENTS 30
#define BUFFER_SIZE 1024
#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd, new_socket, client_sockets[MAX_CLIENTS];
    fd_set readfds;
    int max_sd, activity, i, valread, sd;
    struct sockaddr_in address;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    
    // 初始化客户端socket数组
    for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
        client_sockets[i] = 0;
    }
    
    // 创建服务器socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 设置socket选项（避免地址占用错误）
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 绑定socket到端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);
    
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 开始监听
    if (listen(server_fd, 5) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);
    
    while (1) {
        // 清空文件描述符集合
        FD_ZERO(&readfds);
        
        // 添加服务器socket到集合
        FD_SET(server_fd, &readfds);
        max_sd = server_fd;
        
        // 添加客户端sockets到集合
        for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            sd = client_sockets[i];
            
            if (sd > 0) {
                FD_SET(sd, &readfds);
            }
            
            if (sd > max_sd) {
                max_sd = sd;
            }
        }
        
        // 等待活动（无限等待）
        activity = select(max_sd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
        
        if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {
            perror("select error");
        }
        
        // 检查是否有新的连接
        if (FD_ISSET(server_fd, &readfds)) {
            if ((new_socket = accept(server_fd, NULL, NULL)) < 0) {
                perror("accept");
                continue;
            }
            
            printf("New connection, socket fd: %d\n", new_socket);
            
            // 添加新socket到客户端数组
            for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                if (client_sockets[i] == 0) {
                    client_sockets[i] = new_socket;
                    printf("Adding to list of sockets as %d\n", i);
                    break;
                }
            }
            
            if (i == MAX_CLIENTS) {
                printf("Too many clients\n");
                close(new_socket);
            }
        }
        
        // 检查客户端socket的活动
        for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            sd = client_sockets[i];
            
            if (FD_ISSET(sd, &readfds)) {
                // 读取客户端数据
                if ((valread = read(sd, buffer, BUFFER_SIZE)) == 0) {
                    // 客户端断开连接
                    getpeername(sd, (struct sockaddr*)&address, (socklen_t*)&address);
                    printf("Client disconnected, ip %s, port %d\n", 
                           inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
                    
                    close(sd);
                    client_sockets[i] = 0;
                } else {
                    // 回显数据给客户端
                    buffer[valread] = '\0';
                    printf("Received: %s\n", buffer);
                    send(sd, buffer, strlen(buffer), 0);
                }
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

二、poll

基本原理：使用 pollfd 结构数组代替 fd_set 位图，没有最大fd数量限制

特点：

• 没有最大 fd 数量限制(受系统限制)；
• 不需要每次调用重新设置监控集合；
• 仍然是线性扫描，效率问题依然存在。

使用场景：fd数量较多但不需要高性能的场景。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>

#define MAX_CLIENTS 100
#define BUFFER_SIZE 1024
#define PORT 8080
#define TIMEOUT 30000  // 30秒超时

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 创建pollfd数组
    struct pollfd fds[MAX_CLIENTS + 1];  // +1 给服务器socket
    int nfds = 1;  // 初始只有服务器socket
    int current_size;
    int i, ret;

    // 初始化pollfd数组
    for (i = 0; i < MAX_CLIENTS + 1; i++) {
        fds[i].fd = -1;  // 初始化为无效fd
        fds[i].events = 0;
        fds[i].revents = 0;
    }

    // 创建服务器socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置socket选项（避免地址占用错误）
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定socket到端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 开始监听
    if (listen(server_fd, 5) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 设置服务器socket
    fds[0].fd = server_fd;
    fds[0].events = POLLIN;  // 监控可读事件

    while (1) {
        // 调用poll等待事件
        ret = poll(fds, nfds, TIMEOUT);

        if (ret < 0) {
            perror("poll error");
            break;
        } else if (ret == 0) {
            printf("Poll timeo