1.I/O多路複用（IO multiplexing）

我們之前講了I/O多路複用和其他I/O的區別，在這裡，我們再具體討論下I/O多路複用是怎麼工作？
I/O 多路複用技術就是為了解決程序或執行緒阻塞到某個 I/O 系統呼叫而出現的技術，使程序不阻塞於某個特定的 I/O 系統呼叫。

select()，poll()，epoll()都是I/O多路複用的機制。I/O多路複用通過一種機制，可以監視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒，就是這個檔案描述符進行讀寫操作之前），能夠通知程式進行相應的讀寫操作。 但select()，poll()，epoll()本質上都是同步I/O，因為他們都需要使用者程序在讀寫事件就緒後自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的，而非同步I/O則無需自己負責進行讀寫，非同步I/O的實現核心會負責把資料從核心拷貝到使用者空間。

與多執行緒和多程序相比，I/O 多路複用的最大優勢是系統開銷小，系統不需要建立新的程序或者執行緒，從而也就不必維護這些執行緒和程序。

具體來說就是單個程序（process）就可以同時處理多個網路連線的IO。它的基本原理就是select/epoll這個函式（function）會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者程序。它的流程如圖：

如果還不清楚，我們接下來一個一個來理解。

I/O多路複用—select

select系統調⽤是⽤來讓我們的程式監視多個⽂件描述符的狀態變化的;
程式會停在select這⾥等待，直到被監視的⽂件描述符有⼀個或多個發⽣了狀態改變

1. 所需標頭檔案

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

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

2. 引數：

nfds : 要監視的檔案描述符的範圍，取當前監視的描述符中最大描述符的值+1，在 Linux 上最大值一般為1024。
readfds:

注：中間的”三個引數 readfds、writefds 和 exceptfds 指定我們要讓核心監測讀、寫和異常條件的描述字。如果不需要使用某一個的條件，就可以把它設為空指標（ NULL ）。集合fd_set 中存放的是檔案描述符，可通過以下四個巨集進行設定：

a.清空集合：用來清除描述片語set的全部位

void FD_ZERO(fd_set *fdset); 

b.設定：⽤來設定描述片語set中相關fd的位，將一個給定的檔案描述符加入集合之中

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

c.⽤來清除描述片語set中相關fd 的位，將一個給定的檔案描述符從集合中刪除

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

d.⽤來測試描述片語set中相關fd 的位是否為真 ，檢查集合中指定的檔案描述符是否可以讀寫

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); 

timeout: 超時時間，它告知核心等待所指定描述字中的任何一個就緒可花多少時間。其 timeval 結構用於指定這段時間的秒數和微秒數。

• NULL： 則表示select（）沒有timeout，select將⼀直被阻塞，直到某個⽂件描述符上發⽣了事件;
• 0: 不阻塞 僅檢測描述符集合的狀態，然後立即返回，並不等待外部事件的發⽣。檢查描述字後立即返回，這稱為輪詢，
• 特定的時間值： 如果在指定的時間段⾥沒有事件發生，select將超時返回

struct timeval
{
	time_t tv_sec;       /* 秒 */
	suseconds_t tv_usec; /* 微秒 */
};

3. 返回值

成功：就緒描述符的數目，超時返回 0，
失敗：-1,錯誤原因存於errno,錯誤值可能為：

• EBADF :檔案描述詞為⽆效的或該⽂件已關閉
• EINTR :此調⽤被訊號所中斷
• EINVAL: 引數n為負值。
• ENOMEM: 核⼼記憶體不⾜

4. 功能

監視並等待多個檔案描述符的屬性變化（可讀、可寫或錯誤異常）。select()函式監視的檔案描述符分 3 類，分別是writefds、readfds、和 exceptfds。呼叫後 select() 函式會阻塞，直到有描述符就緒（有資料可讀、可寫、或者有錯誤異常），或者超時（ timeout 指定等待時間），函式才返回。當 select()函式返回後，可以通過遍歷 fdset，來找到就緒的描述符。

接下來我們來理解select的執行過程

5.select原理

理解select模型的關鍵在於理解fd_set,其實這個結構就是⼀個整數陣列, 更嚴格的說, 是⼀個 “點陣圖”. 使⽤點陣圖中對應的位來表⽰要監視的⽂件描述符。如圖：fd_set結構體裡面包含了一個長整型陣列。

舉個例子：
為說明⽅便，取fd_set⻓度為1位元組，fd_set中的每⼀bit可以對應⼀個⽂件描述符fd。則1位元組⻓的fd_set最⼤可以對應8個fd。
（1）執行fdset set; FD_ZERO(&set);則set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,執⾏FD_SET(fd,&set);後set變為0001,0000(第5位置為1)
（3）若再加⼊fd＝2，fd=1,則set變為0001,0011
（4）執⾏select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都發⽣可讀事件，則select返回，此時set變為0000,0011。
注意：沒有事件發⽣的fd=5被清空

6.select執行過程（重點）

重點內容：
首先，在呼叫select函式之前，我們事要設定select引數，即將我們要將要監控的fd（檔案描述符）放入fd集合（readfds，writefds，exceptfds）中，在呼叫select之後，這些fd集合便會從使用者態拷貝到核心態，這時程式會停在select阻塞等待，直到被監視的檔案描述符有某一個或多個發生了狀態改變。而此時核心做的工作就是將這些fd集合遍歷一遍，看有沒有事件就緒的fd。此時分為兩種情況：
1.若有IO事件就緒，則核心就會將該事件所對應的fd標誌位置1，由此來通知執行了select()的程序哪些Socket或檔案可讀可寫， 而沒有就緒的檔案描述符fd 則會從集合中被剔除掉，也就是說最後返回都是就緒的檔案描述符，然後，當select返回時，再將這些修改過的fd集合又從核心態拷貝到使用者態，selec返回值為就緒fd的個數，最後使用者程序就可以處理這些讀寫操作。
2.若此時核心遍歷一遍沒有就緒的檔案描述符fd，那麼核心將不做操作，而select這時也會返回（因為select是同步），只不過select這時還是阻塞的，它會一直輪詢，直到有就緒的檔案操作符fd，並且等待核心將就緒的檔案操作符修改標誌位，最後select返回就緒的檔案描述符的個數，這樣才會執行完畢。

以上就是select函式完整的執行過程，我們從中也發現他不少特點：

先來說缺點吧，
7.select優缺點（重點）

1.最大併發數限制
因為一個程序所開啟的FD（檔案描述符）是有限制的，由FD_SETSIZE設定(上圖中有FD_SETSIZE)，預設值是1024/2048，因此select模型的最大併發數就被相應限制了。
雖然使用者可以自己修改FD_SETSIZE，然後重新編譯核心，但是其實，並不推薦這麼做，因為有可能導致程式崩潰，效能方面不言而喻肯定下降。

include/linux/posix_types.h:
#define __FD_SETSIZE         1024

因為Linux下fd_set是一個 1024 位的點陣圖，因此當程序內的 fd 值 >= 1024 時，就會越界，可能會造成崩潰。對於伺服器程式，fd >= 1024 很容易達到，只要連線數 + 開啟的檔案數足夠大即可發生。效能方面不言而喻肯定下降。而效能方面核心每次都要遍歷一遍全部的fd集合，fd越多，效能越慢。

2.效率問題：
就是我們上面說的，select每次呼叫都會核心都會線性掃描全部的fd集合，這樣效率就會呈現線性下降.

3.核心/使用者空間 記憶體拷貝問題
因為fd集合要從核心和使用者之間拷貝多次，而當於服務端要面對成百上千的連線時，這時fd就非常多，效能不言而喻就非常慢了。
4.編碼麻煩
每次有就緒事件發生時，都會修改描述符集合 ，把沒有就緒的剔除出去，因此我們要監控的描述符每次迴圈都需要新增，並且select返回值並不會直接告訴使用者哪個描述符就緒，因此需要遍歷所有的描述符看哪一個就緒，導致編碼麻煩。

說完了缺點，當然還有優點：
1.跨平臺: select目前幾乎在所有的平臺上支援，其良好跨平臺支援也是它的一個優點。epoll是僅只有Linux下。
2.適用於UDP，適用於單個描述符方便。並且監控的超時時間比較精細（精確到微秒，epoll只能到毫秒）
適用場景：
select適用於在單個描述符的監控上用的頻率非常高
多路複用技術（select/epoll/poll）都是適用於有大量客戶端連線，但是同一時間只有少量活躍的情況

還有poll 和 epoll ，下個部落格介紹

資料參考：https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/50979090
https://blog.csdn.net/tennysonsky/article/details/45745887