面试题：网络编程中IO多路复用技术在物联网设备通信的基础实现

Question

请简要描述在物联网设备通信场景下，如何使用select、poll、epoll中的一种实现基本的IO多路复用，以处理多个设备的并发通信，并说明这种实现的优缺点。

Answer 1

使用epoll实现物联网设备通信的IO多路复用

1. 实现步骤
   • 创建epoll实例：使用epoll_create函数创建一个epoll实例，返回一个文件描述符epfd。例如：int epfd = epoll_create1(0);，epoll_create1比epoll_create更简洁，参数为0时功能和epoll_create相同。
   • 添加设备连接的文件描述符到epoll：对于每个物联网设备连接对应的文件描述符fd，使用epoll_ctl函数将其添加到epoll实例中。例如：

struct epoll_event event;
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 监听读事件，采用边缘触发模式
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

- **等待事件发生**：调用`epoll_wait`函数等待设备有事件发生。`epoll_wait`会阻塞，直到有事件发生或超时。例如：

struct epoll_event events[1024];
int nfds = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); // -1表示永久阻塞
for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
    int fd = events[i].data.fd;
    // 处理该fd对应的设备通信事件，如读取数据
    char buffer[1024];
    ssize_t read_bytes = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    // 处理读取到的数据
}

2. 优点
   • 支持大量并发连接：epoll基于事件驱动，在处理大量文件描述符时性能远优于select和poll。它采用红黑树管理文件描述符，查找和添加效率高。
   • 低开销：epoll_wait只返回有事件发生的文件描述符，不像select需要遍历所有的文件描述符，也不像poll每次都需要将所有的文件描述符从用户态拷贝到内核态，因此开销较低。
   • 支持边缘触发模式：可以更高效地处理事件，减少不必要的系统调用，对于物联网设备这种可能快速产生数据的场景，能及时响应。
3. 缺点
   • 编程复杂度较高：相比于select和poll，epoll的接口相对复杂，需要开发者对事件驱动编程模型有更深入的理解，特别是边缘触发模式下的编程，需要小心处理以避免丢失事件。
   • 平台兼容性：虽然在Linux系统上广泛支持，但在其他操作系统（如Windows）上没有原生支持，移植性相对较差。

不选择select和poll的原因

1. select
   • 文件描述符数量限制：select有文件描述符数量的限制（通常是1024），在物联网大规模设备连接场景下难以满足需求。
   • 性能问题：每次调用select都需要遍历所有文件描述符，时间复杂度为O(n)，随着文件描述符数量增多性能急剧下降。
   • 内核态和用户态数据拷贝：每次调用select都需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，开销较大。
2. poll
   • 性能问题：poll虽然解决了文件描述符数量限制的问题，但仍然需要遍历所有文件描述符来检查事件，时间复杂度同样为O(n)，在处理大量文件描述符时性能不佳。
   • 数据拷贝问题：每次调用poll同样需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，开销较大。