I/O多路復(fù)用（I/O Multiplexing）是一種允許單個(gè)線程同時(shí)監(jiān)視多個(gè)文件描述符的I/O模型。其核心價(jià)值在于，它將應(yīng)用程序從低效的I/O等待中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了“一次等待，響應(yīng)多個(gè)事件”的高效并發(fā)模式。
要理解其優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)比非阻塞I/O的局限性。雖然非阻塞I/O能避免線程在數(shù)據(jù)未就緒時(shí)阻塞，但它要求應(yīng)用程序通過(guò)循環(huán)不斷地主動(dòng)輪詢所有文件描述符，這會(huì)造成大量的處理器空轉(zhuǎn)，浪費(fèi)計(jì)算資源。
I/O多路復(fù)用則提供了一種優(yōu)雅的解決方案：應(yīng)用程序?qū)⒈O(jiān)視任務(wù)委托給內(nèi)核，然后阻塞在專(zhuān)門(mén)的事件等待調(diào)用上（如select, epoll_wait）。只有當(dāng)一個(gè)或多個(gè)文件描述符就緒時(shí)，內(nèi)核才會(huì)喚醒線程，使其僅對(duì)活躍的I/O進(jìn)行處理。這是一種從“主動(dòng)輪詢”到“被動(dòng)通知”的轉(zhuǎn)變，極大地提升了系統(tǒng)效率。

I/O多路復(fù)用技術(shù)本身也經(jīng)歷了一場(chǎng)深刻的演進(jìn)，從select、poll到epoll，其效率和設(shè)計(jì)哲學(xué)不斷完善。作為早期的POSIX標(biāo)準(zhǔn)，select和poll引入了核心理念，但存在固有的性能缺陷。它們要求應(yīng)用程序在每次調(diào)用時(shí)，都將整個(gè)待監(jiān)視的文件描述符集合從用戶空間完整地拷貝到內(nèi)核空間，操作完成后再拷貝回來(lái)。更關(guān)鍵的是，內(nèi)核需要以O(shè)(n)的線性復(fù)雜度遍歷所有文件描述符來(lái)檢查其狀態(tài)，這意味著隨著連接數(shù)的增長(zhǎng)，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)會(huì)顯著增加。此外，select還受限于FD_SETSIZE（通常為1024）的硬性數(shù)量限制，而poll雖解除了此限制，但并未改變其低效的內(nèi)核掃描和數(shù)據(jù)拷貝機(jī)制。
真正的技術(shù)飛躍在Linux平臺(tái)上以epoll的形式出現(xiàn)。epoll徹底重構(gòu)了接口和內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)epoll_create在內(nèi)核中建立一個(gè)持久化的事件中心，應(yīng)用程序只需通過(guò)epoll_ctl將文件描述符注冊(cè)一次，后續(xù)便無(wú)需重復(fù)提交。其內(nèi)部采用紅黑樹(shù)來(lái)高效管理文件描述符，并利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的回調(diào)機(jī)制，在I/O就緒時(shí)主動(dòng)將FD添加到一個(gè)“就緒隊(duì)列”中。
因此，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用epoll_wait時(shí)，內(nèi)核只需返回這個(gè)就緒隊(duì)列的內(nèi)容，其時(shí)間復(fù)雜度為O(k)（k為活躍連接數(shù)），與被監(jiān)視的文件描述符總數(shù)無(wú)關(guān)。這種設(shè)計(jì)不僅避免了無(wú)謂的數(shù)據(jù)拷貝，更將內(nèi)核的查找效率提升到了極致。

此外，epoll還提供了水平觸發(fā)（Level-Triggered, LT）和邊緣觸發(fā)（Edge-Triggered, ET）兩種工作模式。LT模式是默認(rèn)選項(xiàng)，只要緩沖區(qū)中存在數(shù)據(jù)，每次調(diào)用epoll_wait都會(huì)觸發(fā)通知，編程模型更簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性高。而ET模式則僅在FD狀態(tài)發(fā)生變化（如數(shù)據(jù)從無(wú)到有）時(shí)通知一次，它要求應(yīng)用程序必須一次性處理完所有數(shù)據(jù)，雖然編程復(fù)雜度更高，但能有效減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)。
從本質(zhì)上看，I/O多路復(fù)用仍屬于同步I/O，因?yàn)閼?yīng)用程序在調(diào)用epoll_wait時(shí)是阻塞的。但它的阻塞點(diǎn)是高效的事件等待，而非低效的I/O操作。
這種模型天然地催生了事件循環(huán)（Event Loop）這一經(jīng)典并發(fā)模式。一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)事件循環(huán)線程負(fù)責(zé)等待I/O事件，并將就緒的任務(wù)分發(fā)給工作者線程池（Worker Threads）處理，實(shí)現(xiàn)了I/O操作與業(yè)務(wù)邏輯的解耦。這種流水線式的處理方式，可以充分利用多核處理器，進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量。
以下偽代碼展示了基于epoll的事件循環(huán)流程：

// 偽代碼: I/O多路復(fù)用 (epoll)
epoll_fd = epoll_create();
// 1. 創(chuàng)建epoll實(shí)例
epoll_fd = epoll_create();

// 2. 注冊(cè)關(guān)心的文件描述符和事件
epoll_ctl(epoll_fd, ADD, socket1, READ_EVENT);
epoll_ctl(epoll_fd, ADD, socket2, READ_EVENT);

// 3. 進(jìn)入事件循環(huán)
while (true) {
    // 阻塞等待，直到有事件發(fā)生，僅返回就緒的事件列表
    ready_events = epoll_wait(epoll_fd); 
    
    // 4. 處理所有就緒的事件
    for (event in ready_events) {
        if (event.is_readable()) {
            data = read(event.fd); // 此處read通常不會(huì)阻塞
            process(data);         // 交給業(yè)務(wù)邏輯處理
        }
    }
}

未完待續(xù)

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