面试题：网络编程中UDP协议下IO多路复用技术的基本原理

Question

请简述在UDP协议场景下，IO多路复用技术（如select、poll、epoll）是如何工作的，它们各自的特点和适用场景是什么？

Answer 1

UDP协议场景下IO多路复用技术工作原理

1. select：
   • 它通过设置一组文件描述符集合（读、写、异常），然后调用select函数。内核会遍历这些文件描述符集合，检查是否有就绪的文件描述符。
   • 在UDP场景下，当UDP套接字有数据到达时，该套接字的读描述符会被标记为就绪，select返回后，应用程序可以遍历集合，检查哪些描述符就绪，进而从就绪的UDP套接字读取数据。
2. poll：
   • 与select类似，也是通过传递一个文件描述符数组给内核。但poll使用的是链表结构来存储文件描述符及其相关事件，不像select使用固定大小的数组。
   • 在UDP场景中，同样当UDP套接字有数据到达，对应的描述符会被标记为就绪，应用程序通过遍历链表获取就绪描述符，进行数据读取。
3. epoll：
   • 有两种工作模式：LT（水平触发）和ET（边缘触发）。epoll通过epoll_create创建一个epoll实例，通过epoll_ctl添加、修改或删除要监控的文件描述符及其事件。
   • 在UDP场景下，当UDP套接字有数据到达，内核会将该事件通知给epoll实例，应用程序通过epoll_wait获取就绪事件。在LT模式下，只要数据未被读完，每次epoll_wait都会通知；在ET模式下，只有数据到达的边缘（新数据到来）才通知一次。

各自特点

1. select：
   • 优点：跨平台性好，几乎所有操作系统都支持。
   • 缺点：
     • 文件描述符数量受限（通常1024），通过修改系统参数可调整但不灵活。
     • 采用轮询方式，随着文件描述符增多，性能线性下降。
     • 每次调用select都需要重新设置文件描述符集合，从用户态到内核态数据拷贝开销大。
2. poll：
   • 优点：文件描述符数量理论上无限制（仅受限于系统资源）。
   • 缺点：
     • 同样采用轮询方式，随着文件描述符增多，性能下降明显。
     • 每次调用poll也需要传递整个文件描述符链表，用户态到内核态数据拷贝开销较大。
3. epoll：
   • 优点：
     • 支持大量文件描述符（能轻松支持上万）。
     • 采用事件驱动，只有就绪的文件描述符才会被处理，性能高，适用于高并发场景。
     • 内核和用户空间共享存储，减少数据拷贝开销。
   • 缺点：
     • 只在Linux系统上支持，跨平台性不如select。
     • ET模式编程复杂，需要应用程序一次性处理完所有数据，否则可能丢失事件。

适用场景

1. select：适用于小型应用程序，文件描述符数量较少且对性能要求不是特别高，需要跨平台兼容性的场景。
2. poll：适用于中等规模应用，对文件描述符数量要求比select高一些，但对性能要求不是极端高的场景。
3. epoll：适用于高并发、大量文件描述符的网络服务器应用，尤其是对性能有较高要求的场景，如Web服务器、游戏服务器等。