从 select 到 epoll：拆解 I/O 多路复用的演进与实战

一、引言：为什么需要 I/O 多路复用？

二、select

1.函数介绍

2.原理

3.样例代码

4.优缺点总结

三、poll

1.函数介绍

2.样例代码

3.优缺点总结

四、epoll

1.函数介绍

2.原理

3.LT和ET两种工作模式

4.优缺点总结

五、核心机制对比：select vs poll vs epoll

六、高频面试题解析

七、结语

一、引言：为什么需要 I/O 多路复用？

I/O 多路复用（I/O Multiplexing）是为了解决 高并发场景下传统阻塞式或非阻塞式 I/O 模型的效率缺陷 而诞生的核心技术。阻塞式IO，无论是单线程阻塞式IO还是多线程阻塞式IO，在数据未就绪时线程会被挂起，直到数据就绪后才恢复执行。而且，多线程还涉及到线程切换，以及内存开销。线程切换那是需要时间的，频繁的切换会导致效率降低。至于非阻塞式的IO，轮询高频发生，浪费CPU资源。试想这样的场景：当你有一万个网络连接需要同时处理时，为每个连接开一个线程是否可行？答案显然是否定的，抛开线程上下文切换，单从内存上看，Linux默认一个线程大小是8MB，所以内存消耗80000MB / 1024 ≈ 78G。

二、select

多路复用（也叫多路转接）三剑客之一，单进程就可以监视多个文件描述符的可读、可写和异常状态。

1.函数介绍

select函数原型：

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

1）nfds：监视的最大文件描述符+1。

2）readfds、writefds、 exceptfds分别表示可读、可写、异常文件描述符的集合。

3）timeout，用来设置等待时间，可避免一直阻塞。

4）返回值

● 返回值大于0，表示监视的文件描述符中已就绪的个数。

● 返回值等于0，表示并没有文件描述符就绪，超过timeout时间。

● 返回值小于0，表示发生错误。

5）timeval结构体，第一个成员变量单位是秒，第二个单位是微秒。

2.原理

select底层是用三张位图来存放对应的对应的文件描述符集合的，并且提供了一套对位图的操作方法。

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); / /将指定文件描述符移出集合，对应位设为0
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); / /检查fd是否在集合中（对应位是否为1），返回非0表示存在
void FD_SET(int fd, fd_set *set); / /将指定文件描述符加入集合，对应位设为1
void FD_ZERO(fd_set *set); / /清空集合，将位图中所有位设为0

select底层是会把集合给修改的，例如设置进可读文件描述符集合的是0011 0000，当6号文件描述符可读然后函数返回后，可读文件描述符集合被修改成了0010 0000，没有事件发生的fd = 5被清空。如果我们下次调用还要关心fd = 5的话，需要再次设置进可读文件描述符集合中，需要频繁的重复设置，所以实践中干脆用一个辅助数组来存放这些下次还要关心的fd（避免丢失），每次在调用select之前都遍历一遍辅助数组来设置这些fd，在返回时亦是如此，需要遍历整个位图才知道哪些fd就绪了，这是导致效率比较低的一个原因。

3.样例代码

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(0, &read_fds);//检测标准输入

    while(true)
    {
        struct timeval timeout;
        timeout.tv_sec = 2;//设置超时时间为2秒
        int ret = select(1, &read_fds, nullptr, nullptr, &timeout);
        if(ret < 0)
        {
            perror("select");
            continue;
        }
        if(ret == 0)
        {
            std::cout << "timeout" << std::endl;
            continue;
        }
        if(FD_ISSET(0, &read_fds))
        {
            char buffer[1024] = { 0 };
            int n = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
            if(n > 0)
            {
                std::cout << buffer << std::endl;
            }
        }
        //内核会修改位图，需要重新设置进去
        FD_ZERO(&read_fds);
        FD_SET(0, &read_fds);
    }
    return 0;
}

4.优缺点总结

先说优点，select的跨平台兼容性比较好，几乎主流的操作系统都是兼容的，这相对于epoll来说是个优点（epoll只能在Linux上用）。

缺点有：

①文件描述符数量的上限低，通常是1024个，这对于动辄上万个连接的高并发场景来说是远远不够的。

②其次，select需要做不少的遍历工作，用户需要遍历返回后的位图，查找哪些是已经就绪的，然而有时候，遍历一千个文件描述符才有屈指可数的几个就绪也是有的。这就导致了很多无效的遍历。在内核层面，每次调用select函数时亦是如此，需要遍历所有的监听描述符判断是否就绪。这样，随着监听描述符的增多，效率就会不断下降。

③同时，在每一次调用select函数时，需要将fd集合从用户态拷贝到内核态，返回时内核在将结果拷贝回用户态。

④除了拷贝上的时间开销，还有内核在将处理结果拷贝到用户态是，会覆盖原有的数据，如果下次还想监听的描述符因此被覆盖的话，下次还要再重新设置。

三、poll

1.函数介绍

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

1）fds是poll函数监听的结构列表，每一个元素中包含三个成员变量：文件描述符、监听事件的集合、返回的事件集合。pollfd结构体如下：

// pollfd 结构

struct pollfd {

int fd; /* file descriptor */

short events; /* requested events */

short revents; /* returned events */

};

2）nfds表示fds的长度。

3）timeout表示超时时间，单位是毫秒。

4）返回值含义和select一样。

2.样例代码

#include <iostream>
#include <poll.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    struct pollfd poll_fd;
    poll_fd.fd = 0;         //监听标准输入
    poll_fd.events = POLLIN;//可读事件

    while(true)
    {
        int ret = poll(&poll_fd, 1, 3000);
        if(ret < 0)
        {
            perror("poll");
            continue;
        }
        if(ret == 0)
        {
            std::cout << "timeout" << std::endl;
            continue;
        }
        if(poll_fd.revents == POLLIN)//判断返回的事件
        {
            char buffer[1024] = { 0 };
            int n = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
            if(n > 0)
            {
                std::cout << buffer << std::endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

3.优缺点总结

先说优点，首先值得一提的是，poll突破了文件描述符数量的限制。使用结构体数组（struct polled[ ]）而非位图（fd_set），可监听任意数量的文件描述符，仅受系统资源的限制。第二点，相对于select来说，poll做到了事件和返回结果的解耦（events和revents），不会再像select那样，从内核拷贝到用户时会覆盖原有数据，进而需要再次设置。

缺点是，调用poll时还是需要将数据拷贝到内核，返回时从内核拷贝到用户。而且也需要遍历整个struct polled[ ]数组，检查哪些fd已就绪。

四、epoll

epoll是 Linux 特有的高效 I/O 多路复用机制，专为解决select和poll的性能瓶颈而设计，尤其适合处理高并发问题。按照man手册的说法，epoll是为了处理大量句柄而做了改进的poll。所谓句柄，就是epoll_create函数返回的文件描述符。

1.函数介绍

int epoll_create(int size);

这个函数的作用就是创建一个epoll的句柄。size参数已被忽略，可任意传值。这个句柄（也就是文件描述符）用完以后，需要调用close函数关闭。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

● epoll的事件注册函数。

● 第一个参数是epoll的句柄，即epoll_create函数的返回值。

● 第二个参数表示动作，用三个宏来表示。

EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd

EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册fd的监听事件

EPOLL_CTL_DEL：删除fd

● 第三个参数是要监听的fd。

● 第四个参数是告诉内核要监听什么事件。

至此，可能比较迷的就是struct epoll_event是什么鬼？下面是它的结构：

struct epoll_event {
    uint32_t     events;  // 监控的事件类型（如 EPOLLIN、EPOLLOUT）
    epoll_data_t data;    // 用户数据（常保存 fd 或回调函数指针）
};

typedef union epoll_data {
    void    *ptr;
    int      fd;        // 常用：与事件关联的 fd
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

下面看看epoll_ctl函数是怎么用的。

struct epoll_event ev;
ev.data.fd = fd;
ev.events = EPOLLIN;
int ret = epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);//epoll_fd为句柄

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

● 等待事件触发。

● 第一个参数是epoll句柄。

● 输出参数，存放就绪事件的结构体数组

● maxevents，events数组大小（单次返回的最多事件数）

● 超时时间（ms），-1 表示阻塞直到事件触发

● 返回值：>0：触发的事件数量 0：超时 -1：错误

函数使用样例：

epoll_event events[1000];
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, sizeof(events) / sizeof(events[0], -1);

2.原理

epoll原理围绕红黑树、就绪列表、回调函数机制这三者展开。当调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这两个结构体中有两个关键的成员——红黑树和就绪列表。

struct eventpoll{
....
/*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到 epoll 中的需要监控的事件*/
struct rb_root rbr;
/*双链表中则存放着将要通过 epoll_wait 返回给用户的满足条件的事件。就绪列表*/
struct list_head rdlist;
....
};

通过epoll_ctl方法添加的事件，最终就会被挂到红黑树中。而所有添加到epoll中的事件都会与设备驱动程序建立回调关系，然后在监控的事件发生时调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback，它会把发生的事件添加到就绪列表rdlist中。然后，当调用epoll_wait方法时，只需要检查eventpoll中的就绪列表rdlist是否有元素即可。如果就绪列表不为空，那么就将发生的事件拷贝给用户，同时将事件的数量返回给用户。与select和poll相比，epoll就不用去遍历所有的事件，导致一些无效的遍历和判断。下面继续深入到一些细节问题。

红黑树中的每个结点，都是一个epitem结构体。下面看看这个结构体长啥样。

struct epitem{
struct rb_node rbn;       //红黑树节点
struct list_head rdllink; //双向链表节点
struct epoll_filefd ffd;  //事件句柄信息
struct eventpoll *ep;     //指向其所属的 eventpoll 对象
struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

总结一下：

红黑树的作用就是存储所有需要监控的文件描述符（fd）及其关联的事件（epoll_event）。

就绪列表的作用就是临时存储已触发的fd（就绪事件）。当事件触发时，由回调函数ep_poll_callback将对应的结点添加到就绪列表中。当调用epoll_wait方法时，将就绪事件拷贝给用户然后清空就绪列表。

重谈epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait三个函数。

1）当调用epoll_create时，创建eventpoll结构体，然后初始化红黑树的根节点和就绪列表表头。

2）当调用epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, event)时，内核首先会检查红黑树中是否已经存在对应的fd结点。如果不存在，那就新建epitem结点并入树。然后设置该fd对应的回调函数ep_poll_callback，绑定到其底层设备驱动。

3）当调用epoll_wait时，就去检查就绪列表，如果不为空，则拷贝到用户态，然后清空就绪列表。

3.LT和ET两种工作模式

LT（Level-Triggered，水平触发），只要文件描述符fd满足可读/可写的条件，epoll_wait会持续通知应用层，直到数据被完全处理。

当fd的接收缓冲区有数据时，会触发EPOLLIN事件，只要数据未读完，每次调用epoll_wait方法都会重复报告此fd的可读事件。同理，如果发送缓冲区未满（可写入），则持续触发EPOLLOUT。

优点：容错性强，未处理的事件不会被遗漏，LT模式下会持续通知上层应用。而且编程比较简单。

缺点：若应用层未及时处理完数据，频繁触发事件会增加epoll_wait的调用次数。一个高负载的fd可能会导致epoll_wait长期处于忙碌状态。

ET（Edge-Triggered，边缘触发），仅在fd状态变化时触发通知（比如从不可读变为可读），后续如果数据未读完也不在通知，直到下一次状态变化（比如数据由少变多）。

当接收缓冲区从空变为非空时，触发一次EPOLLIN，之后即使仍有数据未读完也不在重复通知。因此应用层必须在一次通知中处理完所有数据，否则可能永远无法收到下一个状态变化的通知，进而丢失数据。

优点：仅在状态变化时触发一次，减少了epoll_wait的调用频率。同时一次性把接收缓冲区中的数据全部读完，这样发送方可以收到更大的窗口大小通知，进而可以发送更多的数据，提高网络的吞吐量。

缺点：编程复杂，如果处理数据不当，可能丢失数据。

特性	LT（水平触发）	ET（边缘触发）
触发条件	数据未处理完则持续触发	仅当状态变化时触发一次
系统调用次数	可能较多（重复触发）	较少（严格依赖状态变化）
编程复杂度	低	高（需非阻塞 IO + 循环处理）
容错性	高（未处理完会再次触发）	低（漏处理可能导致事件丢失）
适用场景	简单场景、对性能不敏感的延迟容忍型	高并发、延迟敏感型（如高频交易系统）

4.优缺点总结

优点：

1）epoll有着高效的事件通知机制（基于回调函数），epoll_wait直接返回给用户就绪事件列表，无需遍历所有的文件描述符，性能与活跃连接数无关，对比select和poll的O(n)遍历，epoll在高并发场景下性能卓越。

2）支持大并发连接，文件描述符数量仅受系统资源限制。相比与select，这是一个优点。

3）事件触发模式灵活，根据不同的场景，有LT（默认）和ET两种模式可选。

4）无重复数据拷贝。select和poll在每次调用时，都需要将文件描述符集从用户空间拷贝到内核空间，而epoll在添加对应文件描述符和它对应的事件后，再调用epoll_wait时，无需再传入监听的文件描述符集，进而没有重复拷贝。

缺点：仅限Linux平台，代码可移植性差。

五、核心机制对比：select vs poll vs epoll

指标	`select`	`poll`	`epoll`
最大并发连接数	1024	10k+（受内存限制）	100k+（内存依赖）
时间复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
内存拷贝开销	每次调用传递全量 fd	同 select	注册后无需重复传递
触发模式	仅 LT	仅 LT	LT 和 ET
适用平台	跨平台	类 Unix	Linux

六、高频面试题解析

epoll 为什么用红黑树不用哈希表？

1）红黑树性能稳定可靠。哈希表查找的平均时间复杂度为O(1)，但是在有大量哈希冲突，可能退化到O(N)。内核需要保证稳定的响应时间，无法接受性能波动，这对于高并发场景非常关键。红黑树作为自平衡的二叉搜素树，插入、查找、删除操作均严格保证O(logN）的时间复杂度，性能可预测且稳定。

2）红黑树具有更高效的动态操作。哈希表可能需要扩容，扩容就需要重新计算哈希值并迁移数据，导致短暂的性能抖动。红黑树天然支持动态的增删结点，无需全局调整结构，可以平滑的支持扩展。

3）红黑树的内存利用率比较高而且不存在冲突。在稀疏连接的场景下，哈希表中可能存在不少空桶，导致浪费。红黑树是按需分配结点内存的，不存在额外的浪费。而且红黑树是以fd来作为键值的，天然就避免了冲突。

ET 模式必须配非阻塞 socket 吗？为什么？

在ET（边缘触发）模式下使用非阻塞socket是强烈建议且几乎必须的。

1）ET模式下，要求上层一次读完数据，为了确保一次读完数据，需要通过循环读取，比如循环的调用read。但是，在接收缓冲区中的数据读完以后，再次调用read会导致阻塞，进而线程被挂起，直到下一波数据的到达。线程一旦被挂起，就无法去处理其他事件，严重影响并发性能。

2）非阻塞可以维持事件循环的高效性。非阻塞socket在每次IO操作后立即返回，使得应用可以快速处理完当前事件后，继续通过epoll_wait监听其他就绪事件，保持事件循环的高吞吐。如果是阻塞式的socket，单次处理可能长时间占用线程，导致其他就绪时间延迟处理，降低系统整体的响应速度。

如果 fd 频繁增减，epoll 是否仍高效？

依然高效，理由如下：

1）epoll使用红黑树作为管理fd的底层结构，其增删查操作均严格保证O(logN）的时间复杂度（n是当前监听的fd数量）。即使fd频繁增删，单次操作的性能仍被控制在可控范围内。对比select和poll这种基于线性扫描的模型，性能随fd数量的增长线性下降。而epoll的 O(log n) 操作显著优于这种线性开销。

2）epoll事件通知机制的天然优势——无轮询开销。epoll通过事件驱动的方式通知就绪的fd（基于回调机制），而非遍历整个集合。fd的频繁增删不会直接关联事件通知的开销。epoll_wait只返回就绪的fd。