高级IO技术详解：阻塞/非阻塞IO、多路复用与内存映射

关键词：阻塞IO 非阻塞IO select/poll/epoll mmap

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一、阻塞IO vs 非阻塞IO

类型	行为特点	设置方式
阻塞IO	- 读空管道阻塞 - 写满管道阻塞	默认模式
非阻塞IO	- 读空文件返回 -1，errno=EAGAIN - 写满立即返回错误	1. open() 时加 O_NONBLOCK 标志 2. 通过 fcntl() 设置： fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)

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二、IO多路复用（解决高并发IO问题）

1. 状态机模型

将IO任务抽象为状态流转，例如读操作的状态转换：

STATE_R → read()├── 返回值 >0  → STATE_W (准备写)  ├── 返回值=0   → STATE_T (终止)  ├── errno=EAGAIN → 保持STATE_R  └── 其他错误    → STATE_E (异常)

2. select() 函数

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);// 检查fd是否就绪
  

• 特点：
  • 监听读/写/异常事件
  • 文件描述符上限：FD_SETSIZE (通常1024)
  • 每次调用需重新初始化fd_set
  • 超时控制可模拟sleep：select(0, NULL, NULL, NULL, &tv)

3. poll() 函数

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

• 优势：
  • 无文件描述符数量限制
  • 监听与返回结果分离（通过events和revents）
  • 无需每次重新初始化结构体

4. epoll（Linux专属高性能模型）

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

• 核心优势：
  • 事件驱动，无需遍历所有fd
  • 支持边缘触发（ET）与水平触发（LT）模式
  • 百万级并发支持

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三、内存映射IO（mmap）

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

• 功能：将磁盘文件直接映射到内存空间
• 应用场景：
  • 零拷贝文件读写
  • 大文件高效处理
  • 进程间共享内存

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四、关键总结

技术	适用场景	性能瓶颈
select/poll	低并发兼容性需求	O(n) 轮询效率低
epoll	Linux高并发网络服务	无上限，事件驱动O(1)
mmap	大文件读写/进程通信	减少内核-用户态拷贝开销

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扩展思考：

1. 边缘触发（ET）模式下为何必须非阻塞IO？
2. mmap 写回磁盘的同步机制（msync()）如何保证数据安全？
3. 异步IO（aio）与多路复用的本质区别？

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