高級IO技術詳解：阻塞/非阻塞IO、多路復用與內存映射

關鍵詞：阻塞IO 非阻塞IO select/poll/epoll mmap

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一、阻塞IO vs 非阻塞IO

類型	行為特點	設置方式
阻塞IO	- 讀空管道阻塞 - 寫滿管道阻塞	默認模式
非阻塞IO	- 讀空文件返回 -1，errno=EAGAIN - 寫滿立即返回錯誤	1. open() 時加 O_NONBLOCK 標志 2. 通過 fcntl() 設置： fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)

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二、IO多路復用（解決高并發IO問題）

1. 狀態機模型

將IO任務抽象為狀態流轉，例如讀操作的狀態轉換：

STATE_R → read()├── 返回值 >0  → STATE_W (準備寫)  ├── 返回值=0   → STATE_T (終止)  ├── errno=EAGAIN → 保持STATE_R  └── 其他錯誤    → STATE_E (異常)

2. select() 函數

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

• 核心操作：

  FD_ZERO(&set);     // 清空集合
  FD_SET(fd, &set);  // 添加fd
  FD_CLR(fd, &set);  // 移除fd
  FD_ISSET(fd, &set);// 檢查fd是否就緒
  

• 特點：
  • 監聽讀/寫/異常事件
  • 文件描述符上限：FD_SETSIZE (通常1024)
  • 每次調用需重新初始化fd_set
  • 超時控制可模擬sleep：select(0, NULL, NULL, NULL, &tv)

3. poll() 函數

struct pollfd {int fd;         // 監聽的文件描述符short events;   // 監聽的事件（POLLIN/POLLOUT）short revents;  // 返回的事件
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

• 優勢：
  • 無文件描述符數量限制
  • 監聽與返回結果分離（通過events和revents）
  • 無需每次重新初始化結構體

4. epoll（Linux專屬高性能模型）

int epoll_create(int size);  // 創建epoll實例
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // 注冊fd
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); // 等待事件

• 核心優勢：
  • 事件驅動，無需遍歷所有fd
  • 支持邊緣觸發（ET）與水平觸發（LT）模式
  • 百萬級并發支持

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三、內存映射IO（mmap）

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• 功能：將磁盤文件直接映射到內存空間
• 應用場景：
  • 零拷貝文件讀寫
  • 大文件高效處理
  • 進程間共享內存

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四、關鍵總結

技術	適用場景	性能瓶頸
select/poll	低并發兼容性需求	O(n) 輪詢效率低
epoll	Linux高并發網絡服務	無上限，事件驅動O(1)
mmap	大文件讀寫/進程通信	減少內核-用戶態拷貝開銷

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擴展思考：

1. 邊緣觸發（ET）模式下為何必須非阻塞IO？
2. mmap 寫回磁盤的同步機制（msync()）如何保證數據安全？
3. 異步IO（aio）與多路復用的本質區別？

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原創聲明：本文為博主原創筆記整理，轉載請注明出處！

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