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大厂面试题:请你说说IO多路复用

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一、得分点 

特点(单线程可以处理多个客户端请求)、优势(系统开销小) 

二、标准回答 

在I/O编程过程中,当需要同时处理多个客户端接入请求时,可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上,从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。

与传统的多线程/多进程模型比,I/O多路复用的最大优势是系统开销小,系统不需要创建新的额外进程或者线程,也不需要维护这些进程和线程的运行,降低了系统的维护工作量,节省了系统资源。 

目前支持I/O多路复用的系统调用有select、pselect、poll、epoll,在Linux网络编程过程中,很长一段时间都使用select做轮询和网络事件通知,然而select的一些固有缺陷导致了它的应用受到了很大的限制,最终Linux不得不在新的内核版本中寻找select的替代方案,最终选择了epoll。 

三、加分回答 

epoll与select的原理比较类似,为了克服select的缺点,epoll作了很多重大改进: 

1. 支持一个进程打开的socket描述符(FD)不受限制 

select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的,它由FD_SETSIZE设置,默认值是1024。对于那些需要支持上万个TCP连接的大型服务器来说显然太少了。

可以选择修改这个宏然后重新编译内核,不过这会带来网络效率的下降。我们也可以通过选择多进程的方案(传统的Apache方案)解决这个问题,不过虽然在Linux上创建进程的代价比较小,但仍旧是不可忽视的,另外,进程间的数据交换非常麻烦,对于Java由于没有共享内存,需要通过Socket通信或者其他方式进行数据同步,这带来了额外的性能损耗,增加了程序复杂度,所以也不是一种完美的解决方案。

值得庆幸的是,epoll并没有这个限制,它所支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数,这个数字远远大于1024。例如,在1GB内存的机器上大约是10万个句柄左右,具体的值可以通过cat /proc/sys/fs/file- max察看,通常情况下这个值跟系统的内存关系比较大。 

2. I/O效率不会随着FD数目的增加而线性下降 

传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合,由于网络延时或者链路空闲,任一时刻只有少部分的socket是“活跃”的,但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合,导致效率呈现线性下降。

epoll不存在这个问题,它只会对“活跃”的socket进行操作-这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的,那么,只有“活跃”的socket才会主动的去调用callback函数,其他idle状态socket则不会。在这点上,epoll实现了一个伪O。

针对epoll和select性能对比的benchmark测试表明:如果所有的socket都处于活跃态-例如一个高速LAN环境,epoll并不比select/poll效率高太多;相反,如果过多使用epoll_ctl,效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境,epoll的效率就远在select/poll之上了。 

3. 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递 

无论是select,poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间,如何避免不必要的内存复制就显得非常重要,epoll是通过内核和用户空间mmap同一块内存实现。 

4. epoll的API更加简单 

包括创建一个epoll描述符、添加监听事件、阻塞等待所监听的事件发生,关闭epoll描述符等。

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