【LInux内核中IO多路复用 背景+原理+直白总结+优缺点】Select篇

引入背景

阻塞式I/O的弊端：传统的阻塞式I/O模型中，进程一旦进行I/O读写就会阻塞，导致整个系统的吞吐量急剧下降。为了处理多个I/O操作，可能需要创建大量的线程或进程，但这会带来线程或进程切换的开销，浪费CPU资源。

多路复用的概念

多路复用（I/O Multiplexing）：同时监视多个文件描述符（文件句柄），当某个文件描述符就绪（一般是读写就绪）时，就通知程序进行相应的操作。

select的实现原理

1. 位图机制：select使用位图来跟踪需要监视的文件描述符的状态变化。总共有三种位图，分别对应于可读、可写和异常事件。
2. 用户注册：用户程序预先将socket文件描述符注册至读、写、异常位图。
3. 系统调用：通过select系统调用来轮询位图中的socket的读、写、异常事件。
4. 内核处理：内核底层通过轮询方式检测位图中注册的socket文件事件。如果检测到有socket文件处于就绪状态，则将该socket对应的事件设置到输出位图。
5. 结果返回：所有位图中的socket都被轮询完后，内核将输出位图通过copy_to_user函数复制到用户态的输入位图，并覆盖用户初始化的位图信息。
6. 超时处理：如果未检测到任何socket文件处于就绪状态，则根据设置的超时时间确定是否返回或阻塞进程。

直白总结

select的本质是将判断某个文件描述符（TCP中通常是socket，因为多个客户端和服务器通信，服务器就需要建立多个socket）是否处于就绪状态（就绪状态是指socket进入可读、可写、异常的某一种状态（比较重要），也有地方描述为socket可以进行IO操作的状态）的工作交给后台，这个时间你可以去处理其它的事情，等后台处理完了返回给你一个新的就绪状态的文件描述符集，你就可以接着处理这些处于就绪状态的socket连接。

直白总结2

select会将应用层文件描述符集以位图形式拷贝到内核，内核处理完后会将改变的文件描述符集返回给应用层。

优缺点

优点：可以同时处理多个连接，避免了大量的线程或进程切换，提高了系统的并发性能。 缺点：在大量文件描述符的情况下，select的性能会受到限制，因为它需要轮询所有的文件描述符。此外，由于select使用位图来存储文件描述符，因此文件描述符的集合大小是有限制的。

替代技术（会再有新的篇章）

poll：与select类似，但克服了select的一些限制，如文件描述符集合的大小。但poll在大量文件描述符的情况下性能仍然不佳。 epoll：Linux特有的I/O多路复用技术，使用事件驱动的方式，当文件描述符就绪时，会触发相应的事件，从而避免了轮询的开销。epoll在大量文件描述符的情况下性能更好。