36-IO多路复用

2.10　I/O多路复用

应用通常需要在多个文件描述符上阻塞：在键盘输入（stdin）、进程间通信以及很多文件之间协调I/O。基于事件驱动的图形用户界面（GUI）应用可能会和成百上千个事件的主循环竞争^[5]。

如果不使用线程，而是独立处理每个文件描述符，单个进程无法同时在多个文件描述符上阻塞。只要这些描述符已经有数据可读写，也可以采用多个文件描述符的方式。但是，要是有个文件描述符数据还没有准备好——比如发送了read()调用，但是还没有任何数据——进程会阻塞，而且无法对其他的文件描述符提供服务。该进程可能只是阻塞几秒钟，导致应用效率变低，影响用户体验。然而，如果该文件描述符一直没有数据，进程就会一直阻塞。因为文件描述符的I/O总是关联的（比如管道），很可能一个文件描述符依赖另一个文件描述符，在后者可用前，前者一直处于不可用状态。尤其是对于网络应用而言，可能同时会打开多个socket，从而引发很多问题。

试想一下如下场景：当标准输入设备（stdin）挂起，没有数据输出，应用在和进程间通信（IPC）相关的文件描述符上阻塞。只有当阻塞的IPC文件描述符返回数据后，进程才知道键盘输入挂起——但是如果阻塞的操作一直没有返回，又会发生什么呢？

如前所述，非阻塞I/O 是这种问题的一个解决方案。使用非阻塞I/O，应用可以发送I/O请求，该请求返回特定错误，而不是阻塞。但是，该方案效率不高，主要有两个原因：首先，进程需要连续随机发送I/O操作，等待某个打开的文件描述符可以执行I/O操作。这种设计很糟糕。其次，如果进程睡眠则会更高效，睡眠可以释放CPU资源，使得CPU可以处理其他任务，直到一个或多个文件描述符可以执行I/O时再唤醒进程。

下面我们一起来探讨I/O多路复用。

I/O多路复用支持应用同时在多个文件描述符上阻塞，并在其中某个可以读写时收到通知。因此，I/O多路复用成为应用的关键所在，在设计上遵循以下原则。

1．I/O多路复用：当任何一个文件描述符I/O就绪时进行通知。

2．都不可用？在有可用的文件描述符之前一直处于睡眠状态。

3．唤醒：哪个文件描述符可用了？

4．处理所有I/O就绪的文件描述符，没有阻塞。

5．返回第1步，重新开始。

Linux提供了三种I/O多路复用方案：select、poll和epoll。本章先探讨select和poll，epoll是Linux特有的高级解决方案，将在第4章详细说明。