网络编程卡壳？五种IO模型+select/poll一篇讲透，搞懂网络编程核心，阻塞/多路复用不再懵！@[toc] 本篇摘

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本篇摘要

本篇将介绍五种IO模型，以及对其中多路转接IO的select，poll进行介绍，使用，总结等。

一· 五种IO模型介绍：

1. 阻塞IO（Blocking IO, BIO）

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核心特点：应用程序发起IO操作（如读/写）后，线程会被“卡住”，直到IO完成（数据到达/发送完毕）。
工作流程：
总结：简单但低效，适合单连接、低并发场景（如早期客户端程序），所有套接字默认都是阻塞IO。

2. 非阻塞IO（Non-blocking IO, NIO）

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核心特点：应用程序发起IO操作后，函数立即返回（不会阻塞线程），但需主动轮询检查数据是否就绪，非阻塞IO:如果内核还未将数据准备好,系统调用仍然会直接返回，并且返叵EWOULDBLOCK错误码。
工作流程：
总结：避免线程阻塞，但需频繁轮询（浪费CPU），适合短连接或对延迟敏感的场景。

3. IO多路复用（Multiplexed IO）

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核心特点：通过一个系统调用监控多个文件描述符（FD），当任意一个FD就绪（数据可读/写）时，内核通知应用程序处理。
代表实现：select（老）、poll（改进）、epoll（高性能，Linux专属）。
工作流程：
总结：用“单线程管多个连接”，大幅提升并发能力（如Nginx、Redis用epoll）。

4. 信号驱动IO（Signal Driven IO, SIGIO）

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核心特点：应用程序通过信号（Signal） 通知内核“监控某个FD”，当数据就绪时，内核发送信号触发应用程序处理。
工作流程：
总结：异步通知，但信号可能丢失或延迟，实际应用较少（仅适合特定场景）。

5. 异步IO（Asynchronous IO, AIO）

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核心特点：应用程序发起IO操作后，内核全程完成数据拷贝，完成后主动通知应用程序（无需线程干预）。
工作流程：
总结：完全异步，“发起即忘”，效率最高（适合高并发、大文件传输等场景，如Windows的IOCP）。

因此对应信号驱动IO以及异步IO区别：信号驱动是数据准备好了，告诉用户自己调用接口从内核态拷贝到用户态，而异步是直接让内核拿到数据后拷贝到用户态完成才进行通知用户。

`相关概念认识`

同步通信 vs 异步通信

核心区别：
- 同步：调用者自己发起IO操作，全程等待结果返回（自己干完才停）。
- 异步：调用者委托他人执行IO操作，完成后收到通知（交给别人干，自己等通知）。
本质差异：
- 同步：IO操作由调用方“亲自执行”，需阻塞等待。
- 异步：IO操作由其他组件执行，调用方仅接收结果通知。

阻塞 vs 非阻塞

关注点：
- 程序在“等待调用结果时的状态”。
区别：
- 阻塞：等待期间，当前线程被“挂起”（卡住不动），直到结果返回才能继续。
- 非阻塞：等待期间，线程不被“卡住”，可继续执行其他任务（不干等）。

对比

同步/异步：描述“IO操作由谁执行”（自己干 vs 别人干）。
阻塞/非阻塞：描述“等待时线程是否被挂起”（卡住 vs 不卡住）。
二者独立：同步操作可能阻塞或非阻塞（如同步非阻塞需轮询），异步操作通常搭配非阻塞（避免卡死）。

一句话总结

从“干等”（阻塞）到“轮询”（非阻塞），再到“监控多个”（多路复用），最后到“内核代劳”（异步），IO模型逐步解决“线程效率”和“并发能力”的矛盾。

其他高级IO拓展（了解）

非阻塞 IO：
- 调用时不阻塞线程，立即返回结果（可能未完成），需主动轮询或配合其他机制（如 I/O 多路复用）获取最终结果。
记录锁（文件锁）：
- 对文件/数据加锁，确保多进程/线程并发访问时的数据一致性（如防止同时写入）。
系统 V 流机制（STREAMS）：
- UNIX 系统中的一种设备驱动模型，支持数据的异步处理和模块化组件（现代应用较少，可简单理解为“流式数据处理框架”）。
I/O 多路转接（I/O Multiplexing）：
- 通过 select/poll/epoll 等机制，单个线程监控多个文件描述符的 IO 状态，有事件时才触发处理，避免轮询浪费资源（常用于高并发服务端）。
readv/writev 函数（分散/聚集 I/O）：
- 允许一次系统调用读写多个内存缓冲区（分散写入、聚集读取），减少多次拷贝开销，提高大块数据传输效率。
存储映射 IO（mmap）：
- 将文件直接映射到进程内存空间，通过内存操作访问文件（避免频繁读写系统调用），适合大文件随机访问和进程间共享内存。

小结：

这些高级 IO 主要解决 效率、并发控制、资源利用 问题，常结合使用（如 epoll + 非阻塞 IO + mmap），适用于高并发、高性能场景。

二.非阻塞IO之fcntl

`fcntl` 函数基本信息

头文件：包含 <unistd.h> 和 <fcntl.h>

函数原型：

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

核心功能：通过不同的 cmd 参数实现对文件描述符的多种控制操作。

`fcntl` 函数的 5 种主要功能

复制文件描述符（cmd=F_DUPFD）：复制已有描述符。
获取/设置文件描述符标记（cmd=F_GETFD 或 F_SETFD）：操作描述符的标志（如关闭标志 FD_CLOEXEC）。
获取/设置文件状态标记（cmd=F_GETFL 或 F_SETFL）：控制文件读写模式（如阻塞/非阻塞）。
获取/设置异步 I/O 所有权（cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN）：指定接收异步 I/O 信号的进程。
获取/设置记录锁（cmd=F_GETLK、F_SETLK 或 F_SETLKW）：对文件区域加锁/解锁。

通过 `fcntl` 设置非阻塞模式

核心步骤（以 F_SETFL 为例）：
- 使用 F_GETFL 获取当前文件状态标志（返回一个位图）。
- 通过按位或运算（|）添加 O_NONBLOCK 标志。
- 使用 F_SETFL 将修改后的标志写回文件描述符。

示例（set_nonblock 函数）：

void set_nonblock(int fd) {
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);       // 获取当前标志
    flags |= O_NONBLOCK;                     // 添加非阻塞标志
    fcntl(fd, F_SETFL, flags);               // 设置回文件描述符
}

`基于fcntl函数简单测试`

测试思路

将标准输入（键盘）设置为非阻塞模式，通过无限循环持续尝试读取输入：有数据时输出内容；无数据时因EAGAIN/EWOULDBLOCK提示“没有数据”并休眠1秒；若被信号中断（EINTR）则提示后继续循环；其他错误则提示错误，最终实现非阻塞读取标准输入的功能。

效果展示

在这里插入图片描述

标准输入流没输入就打印没有数据，否则打印输入的数据。

源码展示

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
using std::cout;
using std::endl;
void set_nonblock(int fd)
{
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    flags |= O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, flags);
}

int main()
{

    set_nonblock(0);
    while (1)
    {
        char buf[1024];
        int n = read(0, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0)
        {
            buf[n - 1] = 0;
           cout << buf << endl;
        }

        else if (n < 0)
        {   //无论是读取失败还对方的接收缓冲区没有数据最后都是n==-1因此三种情况区分！
             cout<<n<<endl;
            if (errno == EINTR)
            {
                cout << "被打断了" << endl;
                continue;
            }
            else if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
            {    sleep(1);
                cout << "没有数据" << endl;
                //虽然IO效率没有提高，可以在等待的时间做自己想做的事情！
                continue;
            }

            else
            {

                cout << "出错了" << endl;
                continue;
            }
        }
    }
    return 0;
}

三. 多路转接之select

`select相关函数介绍`

功能：系统提供select函数实现多路复用输入/输出模型，用于监视多个文件描述符的状态变化，程序会在select处等待直至监视的描述符有状态改变。
函数原型：
```
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
```
- nfds：需监视的最大文件描述符值+1。
- readfds/writefds/exceptfds：分别对应可读、可写、异常文件描述符的集合。
- timeout：设置等待时间的结构体（struct timeval）。

文件描述符集合操作：

集合以位图形式存储，从右到左第几位代表对应fd值，用户通过以下函数操作：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);    // 清除fd在集合中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  // 检查fd是否在集合中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);    // 将fd添加到集合中
void FD_ZERO(fd_set *set);          // 清空集合

若不关心某类事件，对应参数可传nullptr。

timeout参数：

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结构体含tv_sec（秒）和tv_usec（微秒）字段。
若为NULL：阻塞等待；若字段全为0：非阻塞（立即返回）。

返回值：
- 成功：返回状态改变的文件描述符数量。
- 返回0：超时时间内无描述符状态改变。
- 返回-1：发生错误，错误原因存于errno，涉及错误码如：
  - EBADF：无效文件描述符或文件已关闭。
  - EINTR：调用被信号中断。
  - EINVAL：参数n为负值。
  - ENOMEM：内核内存不足。
  - 参数 readfds、writefds、exceptfds和 timeout的值可能变为不可预测状态，后续代码不应依赖这些值。

==使用流程：==

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select代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

拿着select进行文件描述符的就绪监测(包括istenfd以及给用户开的普通的fd);当select等待到事件就绪就进行为新的连接开辟fd或者对普通fd的读写操作等;这里只检测读事件默认写都是就络的;但是select会更改输入参数，导致每次都要动态维护需要监测的fd，然后对d集合进行调整;因此这里采取一个数组来动态维护再进行fd集合的填充(新连接来或者有客户退出进行d数组的更新)。

测试效果

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成功连接，为新的连接开辟新的fd。

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普通的fd进行的读事件就绪，进行正常读取。

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客户端退出，对应fd的读事件就绪（里面被写入了类似文件结尾的标志，读取后直接关闭这个fd，移除监测集合中对应的位置)。

源码汇总

点我速看源码

select缺点

文件描述符监控机制：通过fd_set位图实现，监控数量由sizeof(fd_set)决定（某服务器为512字节，支持最大4096个文件描述符），位图容量存在上限。
select的主要缺点：
- 每次调用需手动设置fd集合，使用不便；
- 需将fd集合从用户态拷贝到内核态，fd数量多时开销大；
- 内核需遍历所有传入的fd，数量多时效率低；
- 支持的文件描述符数量上限较低（依赖系统实现）。
局限性中的优势：尽管存在上述缺点，但其跨平台兼容性好，因此仍被广泛使用。

四.多路转接之poll

poll解决了select的部分问题，主要体现在两方面：

突破fd数量上限：select依赖固定大小数组存储文件描述符（fd），存在上限（如1024）；poll改用pollfd结构体数组，理论上仅受系统资源限制，无固定上限。
实现输入输出分离：poll通过pollfd结构体中的events（监听事件）和revents（就绪事件）字段，明确区分读写等事件类型，无需每次全量遍历检查，提升了事件处理的效率和灵活性。

poll相关函数介绍

poll 是 Linux 系统中用于 I/O 多路复用的系统调用，用于监控多个文件描述符（FD）的状态变化，避免单线程阻塞等待 I/O。以下是其核心用法总结：

函数原型

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

核心参数

struct pollfd *fds

如下：

#include <poll.h>  
struct pollfd {
    int    fd;       
    short  events;  
    short  revents;  
};

监控的文件描述符列表，每个元素包含三部分信息：
- fd：要监控的文件描述符（如套接字、文件等）。
- events：感兴趣的事件（通过宏定义指定，如 POLLIN、POLLOUT 等）。
- revents：实际发生的事件（由内核填充，调用后检查该字段判断状态）。

nfds_t nfds
- fds 数组的长度（即监控的文件描述符数量）。
int timeout
- 超时时间（单位：毫秒）：
  - -1：永久阻塞，直到有事件发生或出错。
  - 0：立即返回（非阻塞轮询）。
  - >0：最多等待指定毫秒数，超时返回。

返回值

< 0：发生错误（需检查 errno）。
= 0：超时（无任何事件发生）。
> 0：就绪的文件描述符数量（fds 中 revents 非零的元素个数）。

核心事件宏（`events`/`revents`）

| 宏定义 | 含义 |
|-----------------|-------------------------------|
| POLLIN | 可读数据（输入缓冲区非空）。 |
| POLLOUT | 可写数据（输出缓冲区未满）。 |
| POLLERR | 错误状态。 |
| POLLHUP | 挂起状态（连接断开）。 |
| POLLNVAL | 无效的文件描述符。 |

使用步骤

初始化 pollfd 数组：
为每个需要监控的文件描述符创建 struct pollfd 结构体，设置 fd 和 events。

struct pollfd fds[2];
fds[0].fd = stdin_fd;       // 标准输入
fds[0].events = POLLIN;     // 监控可读事件
fds[1].fd = socket_fd;      // 套接字
fds[1].events = POLLIN | POLLOUT; // 监控可读和可写事件

调用 poll 函数：

int ret = poll(fds, 2, 5000); // 监控 2 个 FD，最多等 5 秒

处理返回结果：

若 ret > 0，遍历 fds 数组，检查 revents 判断哪些 FD 就绪：

for (int i = 0; i < nfds; i++) {
    if (fds[i].revents & POLLIN) {
        // 处理可读事件
    }
    if (fds[i].revents & POLLHUP) {
        // 处理连接断开
    }
}

若 ret == 0：超时处理。
若 ret < 0：错误处理（如 EINTR 表示被信号中断）。

操作流程：

在这里插入图片描述

poll代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

这里只需要把对应的之前用数组维护的fd集合改成维护这个struct pollfd结构体数组，对结构体里面的变量进行初始化，更新，判断等操作即可。

测试效果

同上面没啥区别。

源码汇总

点我速看源码

`特点与适用场景`

poll的优点

接口设计更灵活：不同于select使用三个位图表示fd_set，poll采用pollfd结构体指针，结构体内包含要监视的事件和发生的事件，避免了select“参数-值”传递方式的局限性，使用更方便。
文件描述符数量限制宽松：poll没有最大数量限制（实际受系统资源等影响），仅理论上限为数组大小，相比select有一定优势（select通常有固定上限如1024）。

poll的缺点

性能随监控数量线性下降：当监听的文件描述符数量增多时，每次调用poll都需要把大量pollfd结构从用户态拷贝到内核态；并且poll返回后需轮询整个pollfd数组来获取就绪描述符，若大量连接中只有少数就绪，效率会显著降低（如第10000个fd就绪仍需遍历全部）。
需手动管理就绪状态：poll不自动从就绪列表中移除文件描述符，需要开发者手动处理，增加了代码复杂度与管理成本。
存在不必要的拷贝开销：每次调用poll都要将大量pollfd结构在用户态和内核态之间拷贝，和select类似，当监控数量大时，这种拷贝带来的性能损耗不可忽视。

典型场景（相比epoll落后）

网络服务器（监控多个客户端连接）。
同时处理文件和网络 I/O 的程序。

与 `select` 的对比

poll 使用数组存储 FD，无数量上限（取决于内存），而 select 使用 fd_set（通常限制为 1024）。
poll 的事件模型更清晰（通过位掩码区分事件），select 需重置 fd_set。

通过合理使用 poll，可以实现高效的 I/O 多路复用，避免单线程阻塞导致的性能瓶颈。

五.本篇小结

本篇带大家简略认识五种常见的IO模型以及多路转接复用的select及poll的接口的使用，也看到了有点与缺点，基于poll略胜一筹，但是还是比不上epoll，因此，下篇介绍epoll独特之处。

网络编程卡壳？五种IO模型+select/poll一篇讲透，搞懂网络编程核心，阻塞/多路复用不再懵！

本篇摘要

一· 五种IO模型介绍：

1. 阻塞IO（Blocking IO, BIO）

2. 非阻塞IO（Non-blocking IO, NIO）

3. IO多路复用（Multiplexed IO）

4. 信号驱动IO（Signal Driven IO, SIGIO）

5. 异步IO（Asynchronous IO, AIO）

相关概念认识

同步通信 vs 异步通信

阻塞 vs 非阻塞

对比

一句话总结

其他高级IO拓展（了解）

小结：

二.非阻塞IO之fcntl

fcntl 函数基本信息

fcntl 函数的 5 种主要功能

通过 fcntl 设置非阻塞模式

基于fcntl函数简单测试

测试思路

效果展示

源码展示

三. 多路转接之select

select相关函数介绍

select代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

测试效果

源码汇总

select缺点

四.多路转接之poll

poll相关函数介绍

函数原型

核心参数

返回值

核心事件宏（events/revents）

使用步骤

操作流程：

poll代码编写测试（基于tcp实现echo回显）

设计思路

测试效果

源码汇总

特点与适用场景

poll的优点

poll的缺点

典型场景（相比epoll落后）

与 select 的对比

五.本篇小结

`相关概念认识`

`fcntl` 函数基本信息

`fcntl` 函数的 5 种主要功能

通过 `fcntl` 设置非阻塞模式

`基于fcntl函数简单测试`

`select相关函数介绍`

核心事件宏（`events`/`revents`）

`特点与适用场景`

与 `select` 的对比