第 63 章备选 I/O 模型 (Alternative I/O Models)

核心结论

单 fd 阻塞 I/O 模型不足以应对多客户端监控：(1) 非阻塞 polling 浪费 CPU；(2) 多线程/进程开销过大；(3) 阻塞单 fd 无法同时等 stdin 和 socket。备选三方案解决「同时监控多 fd、何时 ready」。
I/O 多路复用 (select / poll)：select(int nfds, fd_set *readfds/writefds/exceptfds, timeval *timeout) 与 poll(struct pollfd[], nfds, int timeout)；水平触发；可移植；FD_SETSIZE=1024 是 select 的硬上限；fd 集合每次调用前需重新初始化。
信号驱动 I/O (signal-driven / SIGIO)：fcntl F_SETOWN 设 owner、O_ASYNC 启用、edge-triggered；fd 可读即向进程发 SIGIO（Linux 也支持 F_SETSIG 改 realtime signal + siginfo 提供 fd 与事件）；handler 只设 flag，主循环 poll 自旋 + 把数据读空到 EAGAIN。
Linux 专用 epoll API：epoll_create 创建 fd、epoll_ctl 注册 fd 与事件、epoll_wait 等事件；既支持水平触发（默认）也支持 edge-triggered；事件就绪由内核直接 push 给 userspace；fd 数量 O(1) 不增长 → C10K 主流方案。
Level-triggered vs Edge-triggered：LT = 状态通知（fd 没读完下次还会通知）；ET = 状态变化通知（fd 首次就绪时一次通知，消耗到 EAGAIN）；ET 必须配 O_NONBLOCK + 读到 EAGAIN。
pselect 与 self-pipe trick：pselect 处理「等待信号 + 等 fd」原子化；self-pipe trick 把信号 handler 写 pipe 字节，让主循环也用 select 监控信号——是处理「信号 + 多 fd」的常用模式。

本章主旨

本章是单 fd 阻塞模型之外的三大 I/O 模型——select/poll、signal-driven I/O、epoll。读者需建立：(1) 三个模型解决的问题与性能 trade-off；(2) select vs poll 的 API 异同；(3) LT vs ET 的语义差；(4) epoll 在 Linux 高并发服务中的核心地位（NGINX / Envoy / Redis 等）；(5) 处理「信号 + 多 fd」时 pselect 或 self-pipe trick。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念：阻塞 I/O vs 备选模型、select/poll 的 fd_set/pollfd、signal-driven I/O (O_ASYNC + SIGIO)、epoll 三大调用、LT vs ET、pselect 与 self-pipe trick。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
三种备选 I/O 模型对比	(1) select/poll：水平触发 + 系统调用传全部 fd 集；(2) signal-driven：edge-triggered SIGIO，O_ASYNC 启用；(3) epoll：用户态 ↔ 内核态共享兴趣列表，LT/ET 皆可。Linux C10K 默认 epoll，BSD/Solaris 用 kqueue / /dev/poll。	§63.1；select/poll 优势：可移植；缺点：随 fd 数线性恶化。epoll 优势：O(1) 监控大量 fd；缺点：仅 Linux。
select 系统调用	`select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout)`；fd_set 三类（read/write/except）；FD_SETSIZE=1024 默认上限；timeout 为 NULL = 永久阻塞；tv_sec=0/tv_usec=0 = poll；返回正值是就绪 fd 个数（多重集合重复计数）。	§63.2.1；FD_ZERO/FD_SET/FD_CLR/FD_ISSET 4 个宏；值-结果，每次调用前重新初始化；nfds = max_fd + 1；exceptfds = OOB + pty packet mode 状态变化。
poll 系统调用	`poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)`；pollfd.fd 指定 fd、events 注册事件位掩码、revents 返回位掩码；timeout 单位 ms；POLLIN/POLLOUT/POLLPRI/POLLHUP/POLLERR/POLLNVAL/POLLRDHUP 为常用 bit；revents = POLLNVAL 表 fd 已关。	§63.2.2；POLLIN/POLLRDNORM 等价；POLLRDBAND Linux 未用；POLLRDHUP 2.6.17+ 需 _GNU_SOURCE；跨实现行为有差异。
Signal-driven I/O / O_ASYNC	`fcntl(F_SETOWN, pid)` 设 owner；`fcntl(F_SETFL, flags \| O_ASYNC \| O_NONBLOCK)` 启用；事件来临时发 SIGIO；Linux 扩展：F_SETSIG 改 realtime signal + SA_SIGINFO 让 siginfo 给 si_fd/si_band；handler 通常只 set flag，主循环读到 EAGAIN。	§63.3；默认 SIGIO 是普通信号，多事件会丢失 → 改 realtime signal 排队；F_SETOWN 可指定进程组；demo_sigio.c 是经典示例。
epoll API (LT/ET)	`epoll_create(size)` 建 epoll fd；`epoll_ctl(epfd, op, fd, &event)` 注册 / 修改 / 删除（EPOLL_CTL_ADD/MOD/DEL）；event.events = EPOLLIN/OUT/ERR/ET/LT/HUP/ONESHOT/RDHUP/PRI；`epoll_wait(epfd, events, maxevents, timeout)` 拉 ready 列表；内核维护兴趣列表，O(1) 注册。	§63.4；ET 模式必须 O_NONBLOCK；events 结构内核 ↔ 用户拷贝，避免每次重传全部 fd；EPOLLEXCLUSIVE 用于多进程 listen fd 防 thundering herd；EPOLLONESHOT EPOLLET 防多线程共享 fd 问题。
self-pipe trick 与 pselect	在 async-signal-safe handler 中 `write(pipefd[1], &ch, 1)` 写一字节；主循环 select 监控 pipefd[0]，可读则处理信号；`pselect` 是 select 的原子版，可临时换 mask 同时响应 signal；	§63.5；alarm/timeout 配合它实现「无限等待 + 定时唤醒」；Common pattern 见 libev / libuv。

三种备选 I/O 模型对比

(1) select/poll：水平触发 + 系统调用传全部 fd 集；(2) signal-driven：edge-triggered SIGIO，O_ASYNC 启用；(3) epoll：用户态 ↔ 内核态共享兴趣列表，LT/ET 皆可。Linux C10K 默认 epoll，BSD/Solaris 用 kqueue / /dev/poll。

§63.1；select/poll 优势：可移植；缺点：随 fd 数线性恶化。epoll 优势：O(1) 监控大量 fd；缺点：仅 Linux。

select 系统调用

select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout)；fd_set 三类（read/write/except）；FD_SETSIZE=1024 默认上限；timeout 为 NULL = 永久阻塞；tv_sec=0/tv_usec=0 = poll；返回正值是就绪 fd 个数（多重集合重复计数）。

§63.2.1；FD_ZERO/FD_SET/FD_CLR/FD_ISSET 4 个宏；值-结果，每次调用前重新初始化；nfds = max_fd + 1；exceptfds = OOB + pty packet mode 状态变化。

poll 系统调用

poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；pollfd.fd 指定 fd、events 注册事件位掩码、revents 返回位掩码；timeout 单位 ms；POLLIN/POLLOUT/POLLPRI/POLLHUP/POLLERR/POLLNVAL/POLLRDHUP 为常用 bit；revents = POLLNVAL 表 fd 已关。

§63.2.2；POLLIN/POLLRDNORM 等价；POLLRDBAND Linux 未用；POLLRDHUP 2.6.17+ 需 _GNU_SOURCE；跨实现行为有差异。

Signal-driven I/O / O_ASYNC

fcntl(F_SETOWN, pid) 设 owner；fcntl(F_SETFL, flags | O_ASYNC | O_NONBLOCK) 启用；事件来临时发 SIGIO；Linux 扩展：F_SETSIG 改 realtime signal + SA_SIGINFO 让 siginfo 给 si_fd/si_band；handler 通常只 set flag，主循环读到 EAGAIN。

§63.3；默认 SIGIO 是普通信号，多事件会丢失 → 改 realtime signal 排队；F_SETOWN 可指定进程组；demo_sigio.c 是经典示例。

epoll API (LT/ET)

epoll_create(size) 建 epoll fd；epoll_ctl(epfd, op, fd, &event) 注册 / 修改 / 删除（EPOLL_CTL_ADD/MOD/DEL）；event.events = EPOLLIN/OUT/ERR/ET/LT/HUP/ONESHOT/RDHUP/PRI；epoll_wait(epfd, events, maxevents, timeout) 拉 ready 列表；内核维护兴趣列表，O(1) 注册。

§63.4；ET 模式必须 O_NONBLOCK；events 结构内核 ↔ 用户拷贝，避免每次重传全部 fd；EPOLLEXCLUSIVE 用于多进程 listen fd 防 thundering herd；EPOLLONESHOT EPOLLET 防多线程共享 fd 问题。

self-pipe trick 与 pselect

在 async-signal-safe handler 中 write(pipefd[1], &ch, 1) 写一字节；主循环 select 监控 pipefd[0]，可读则处理信号；pselect 是 select 的原子版，可临时换 mask 同时响应 signal；

§63.5；alarm/timeout 配合它实现「无限等待 + 定时唤醒」；Common pattern 见 libev / libuv。

二、详细笔记

63.1 三种备选 I/O 模型概述

What：除「进程单 fd 阻塞 I/O」外的三种方式——I/O 多路复用（select/poll）、signal-driven I/O、Linux epoll。

Why：高并发服务器或同时等输入+网络的应用不能用单 fd blocking。fork-per-client 资源消耗大；polling 浪费 CPU。

How：

维度	select/poll	signal-driven I/O	epoll
触发	水平（state）	边沿（event）	LT / ET 均可（默认 LT）
性能	随 fd 数线性恶化	与 event 数相关	O(1)（事件）
可移植性	SUSv3，跨 UNIX	历史接口 + Linux 扩展	Linux-only
内核记住 fd 列表	❌ 每次重传	✓	✓
适合负载	fd < 1000	fd 上千 + sparse	C10K / C10M

维度

select/poll

signal-driven I/O

epoll

触发

水平（state）

边沿（event）

LT / ET 均可（默认 LT）

性能

随 fd 数线性恶化

与 event 数相关

O(1)（事件）

可移植性

SUSv3，跨 UNIX

历史接口 + Linux 扩展

Linux-only

内核记住 fd 列表

❌ 每次重传

✓

适合负载

fd < 1000

fd 上千 + sparse

C10K / C10M

When：(1) 移植要求高、fd 少 → select/poll；(2) 高并发 Linux → epoll；(3) 信号驱动 I/O 较罕见，需配合 realtime signal + siginfo 才有完整 fd 信息。

Example：现代 NGINX 用「preforked 多 worker + 单进程 epoll + worker 间共享 listen fd（EPOLLEXCLUSIVE）」。

63.1.1 Level-Triggered vs Edge-Triggered

What：LT（level）— fd 仍处 ready 状态，每次调用 select/poll/epoll_wait 都会再次通知；可不读空。ET（edge）— 仅在 ready 状态变化时通知；通知一次后必须读到 EAGAIN，否则可能漏数据。

Why：ET 比 LT 更省系统调用（OS 只在状态变化时唤醒），但编程要求严——必须 O_NONBLOCK + 循环 read/write 到 EAGAIN。

How：

模型	LT / ET?
select	LT only
poll	LT only
signal-driven I/O	ET only
epoll	LT（默认）/ ET（EPOLLET）

模型

LT / ET?

select

LT only

poll

LT only

signal-driven I/O

ET only

epoll

LT（默认）/ ET（EPOLLET）

When：(1) 调试、fuzzing → LT 简单；(2) 高并发减唤醒次数 → ET（但配合 measure 防饿死）。

Example：epoll ET 下 read 必须循环到 read() == -1 && errno == EAGAIN；不然下次不再通知。

63.2.1 select 系统调用

What：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

Why：可移植、无须新 API；缺点 FD_SETSIZE=1024，密集 fd 集仍有 O(N) 内核扫描。

How：

#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/* FD_ZERO/FD_SET/FD_CLR/FD_ISSET 4 个宏 */
struct timeval { time_t tv_sec; suseconds_t tv_usec; };

返回值：-1 = 错误（EBADF / EINTR）；0 = 超时；正数 = ready fd 数（同 fd 在多集合中重数）。

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 63 章 Listing 63-1 (片段)
fd_set readfds, writefds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_ZERO(&writefds);
int nfds = 0;
for (j = 2; j < argc; j++) {
    int fd; char rw[10];
    sscanf(argv[j], "%d%2[rw]", &fd, rw);
    if (fd >= FD_SETSIZE) errExit("limit");
    if (fd >= nfds) nfds = fd + 1;
    if (strchr(rw, 'r')) FD_SET(fd, &readfds);
    if (strchr(rw, 'w')) FD_SET(fd, &writefds);
}
int ready = select(nfds, &readfds, &writefds, NULL, NULL);
for (int fd = 0; fd < nfds; fd++)
    printf("%d: %s%s\n", fd, FD_ISSET(fd, &readfds) ? "r" : "",
                          FD_ISSET(fd, &writefds) ? "w" : "");

When：(1) 写 portable C 在 UNIX；(2) fd 少（< 100）；(3) 教学。

Example：TLPI t_select 演示：监控 fd 0 上输入有超时 read = 1, 0:r，监控 fd 1 上输出立即 ready 1:w。

63.2.2 poll 系统调用

What：int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);；数组元素 {fd, events, revents}；events 为注册 bit、revents 为返回值。

Why：select 之后的「更现代」API；pollfd 数组长度理论上无上限，灵活；fd 重复无需重新初始化（events 与 revents 分开）。

How：

#include <poll.h>
struct pollfd {
    int   fd;
    short events;       /* POLLIN / POLLOUT / POLLPRI / POLLRDHUP */
    short revents;      /* 与 events 同样的 bit + POLLERR/POLLHUP/POLLNVAL */
};
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);
/* timeout: -1 永远；0 poll；>0 ms */

关键 bit：

Bit	含义
POLLIN / POLLRDNORM	普通数据可读
POLLPRI	高优先级数据可读（TCP OOB）
POLLRDHUP	对端关闭写半边（需 _GNU_SOURCE，2.6.17+）
POLLOUT / POLLWRNORM	数据可写
POLLERR	错误（仅返在 revents）
POLLHUP	hangup（仅返在 revents）
POLLNVAL	fd 无效（关闭、revents 专用）

Bit

含义

POLLIN / POLLRDNORM

普通数据可读

POLLPRI

高优先级数据可读（TCP OOB）

POLLRDHUP

对端关闭写半边（需 _GNU_SOURCE，2.6.17+）

POLLOUT / POLLWRNORM

数据可写

POLLERR

错误（仅返在 revents）

POLLHUP

hangup（仅返在 revents）

POLLNVAL

fd 无效（关闭、revents 专用）

When：(1) 想明确区分多 fd 状态（不重数）、(2) fd > FD_SETSIZE、(3) 跨 UNIX 但仍是现代 API。

Example：TLPI poll_pipes.c 创建 10 个 pipe，写 3 个随机 pipe，poll 等所有读端 ready。

63.2.3 fd 何时算 ready

What：SUSv3 说「readfds 中 fd 在 read() 时不会阻塞」即 ready；select/poll 只是「能否不阻塞」不保证「一定读到数据」。

Why：理解「何时算 ready」避免误读；要区分 fd 类型（regular file / terminal / pipe / socket）行为差异。

How（关键摘要）：

fd 类型	select r	poll revents
regular file	始终 ready（read 立即返）	始终 POLLIN/POLLOUT
terminal input ready	r	POLLIN
pipe read end, data + write end open	r	POLLIN
pipe read end, write end closed	r	POLLIN
POLLHUP	pipe write end, space + read end open	w
POLLOUT	socket listen, 新连接	r
POLLIN	socket data ready	r
POLLIN	socket peer close (FIN)	rw
POLLIN	POLLOUT	POLLRDHUP
socket OOB data	x	POLLPRI

fd 类型

select r

poll revents

regular file

始终 ready（read 立即返）

始终 POLLIN/POLLOUT

terminal input ready

POLLIN

pipe read end, data + write end open

POLLIN

pipe read end, write end closed

POLLIN

POLLHUP

pipe write end, space + read end open

POLLOUT

socket listen, 新连接

POLLIN

socket data ready

POLLIN

socket peer close (FIN)

POLLIN

POLLOUT

POLLRDHUP

socket OOB data

POLLPRI

When：(1) pipe read 端 select 检测 close → POLLHUP；(2) 写一个 fd 试图 always write——select 可能 short write，因 socket send buffer 满。

Example：TLPI 表 63-3 ~ 63-6 给出全文对照。

63.2.4 select vs poll 对比

What：三个层次——实现、API、可移植性、性能。

维度	select	poll
上限	FD_SETSIZE=1024（glibc）	理论无上限
fd 集合 vs 数组	fd_set 位图（重初始化）	pollfd 数组（events/revents 分开）
timeout 精度	μs	ms
关闭 fd 错误返回	-1, EBADF	revents = POLLNVAL 标识哪个
性能	稀疏 fd 集差（且 2.4 中较明显）	密集 fd 集也 O(N)；2.6 优化收敛差距
可移植性	SUSv3	SUSv3
实现	都用内核内部同一套 poll routine

维度

select

poll

上限

FD_SETSIZE=1024（glibc）

理论无上限

fd 集合 vs 数组

fd_set 位图（重初始化）

pollfd 数组（events/revents 分开）

timeout 精度

μs

关闭 fd 错误返回

-1, EBADF

revents = POLLNVAL 标识哪个

性能

稀疏 fd 集差（且 2.4 中较明显）

密集 fd 集也 O(N)；2.6 优化收敛差距

可移植性

SUSv3

实现

都用内核内部同一套 poll routine

When：(1) FD_SETSIZE 够用 + 需要 μs 超时 → select；(2) fd 多、需要明确哪个 fd 关闭 → poll；(3) Linux fd 大量 → epoll。

63.3 Signal-Driven I/O / SIGIO

What：让内核在 fd 可读/可写时主动发信号给进程，进程不用 poll/wait。Linux 用 O_ASYNC；BSD 用 FASYNC（POSIX.1g 弃）。

Why：(1) 完全异步；(2) 多 fd 时性能优于 select/poll；(3) 缺点：信号编程易错（handler 限制、非 async-signal-safe）。

How：(4 步开启)

/* 1. 装 SIGIO handler（必须先于 O_ASYNC） */
sigaction(SIGIO, &sa, NULL);

/* 2. F_SETOWN 设 owner（pid 或 -pgid） */
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

/* 3. 加 O_ASYNC + O_NONBLOCK */
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC | O_NONBLOCK);

/* 4. handler 仅设 flag，主循环读空到 EAGAIN */
static volatile sig_atomic_t gotSigio = 0;
static void sigioHandler(int sig) { gotSigio = 1; }

for (;;) {
    if (gotSigio) {
        while (read(fd, &ch, 1) > 0)
            /* process ch */ ;
        gotSigio = 0;
    }
    /* 干别的活 */
}

Linux 增强：用 realtime signal (SIGRTMIN+n) 替代 SIGIO——多事件可排队：

fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN+1);
sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
sa.sa_sigaction = sigioHandler;   /* (int sig, siginfo_t *si, void *ucontext) */
/* si->si_fd = 事件 fd；si->si_band = 类似 revents bit */

When：(1) 高并发 + 单进程 + 不希望 select loop——但 epoll 几乎已取代；(2) 教学价值大于实用价值。

Example：TLPI demo_sigio.c 在终端上启用 O_ASYNC，进入 cbreak 模式，主循环打 cnt 计数，按 x / # 立即响应。

63.4 epoll API

What：Linux 2.6 引入的高性能 I/O 事件通知 API；用户态 ↔ 内核态共享一个「兴趣列表」，内核主动通知 ready 事件。

Why：(1) 解决 select/poll O(N) 性能；(2) fd 集合不每次重传；(3) 支持 ET；(4) 是 NGINX / Envoy / Redis 等高并发服务的事实标准。

How：

调用头语义

调用	头	语义
epoll_create	`<sys/epoll.h>`	建 epoll fd（旧版带 size 提示，新版可填任意正数）
epoll_create1	同上	建 + flags（EPOLL_CLOEXEC）
epoll_ctl	同上	epfd 上 op（ADD/MOD/DEL） fd + event 兴趣
epoll_wait	同上	等 ready 事件，events[] 数组填 revents；maxevents 单次最大数
epoll_pwait	同上	同上 + 临时 sigmask（类似 pselect）

epoll_create

<sys/epoll.h>

建 epoll fd（旧版带 size 提示，新版可填任意正数）

epoll_create1

同上

建 + flags（EPOLL_CLOEXEC）

epoll_ctl

同上

epfd 上 op（ADD/MOD/DEL） fd + event 兴趣

epoll_wait

同上

等 ready 事件，events[] 数组填 revents；maxevents 单次最大数

epoll_pwait

同上

同上 + 临时 sigmask（类似 pselect）

epoll_event 结构：

struct epoll_event {
    uint32_t events;    /* EPOLLIN/OUT/PRI/ERR/HUP/ET/LT/ONESHOT/RDHUP/EXCLUSIVE/WAKEUP/... */
    epoll_data_t data;  /* union { int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; void *ptr; } */
};

EPOLLIN/OUT/HUP/ERR 是「事件」；EPOLLET = edge-triggered；EPOLLONESHOT = 一次性；EPOLLEXCLUSIVE = 多 worker listen 防 thundering herd。

典型 server（ET + nonblocking）：

int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = listen_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);
for (;;) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, MAX, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].data.fd == listen_fd) {
            /* accept 所有待连接（ET 模式） */
            for (;;) {
                int cfd = accept4(listen_fd, NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK);
                if (cfd < 0) break;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, ...);
            }
        } else if (events[i].events & EPOLLIN) {
            int fd = events[i].data.fd;
            for (;;) {
                ssize_t nr = read(fd, buf, BUF);
                if (nr < 0 && errno == EAGAIN) break;
                if (nr <= 0) { close(fd); break; }
                /* process buf */
            }
        }
    }
}

When：(1) C10K+ 服务首选；(2) 多线程可结合 EPOLLEXCLUSIVE / EPOLLONESHOT 防 race；(3) signal 配合 epoll_pwait。

Example：accept4(fd, NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC) 是 Linux 3.9+ 一步完成 accept + 设 nonblocking + close-on-exec。

63.4.5 epoll vs select/poll 性能

What：select/poll 在内核中需要遍历所有 fd 列表；epoll 在 fd 集大 + active 数小时显著优于 select/poll。

Why：理解「为什么 epoll 适合 C10K」——O(1) 关注列表 + O(K) ready 数（K = 本轮 ready）。

How：(benchmark 数字 TLPI 给出)：

监控 fd 数	select/poll	epoll
10-100	快（或近）	略增 setup 开销
100-1000	慢（线性）	O(1)
1000-10000	不可用（实际也接近 limit）	高效
10000+	不可用	高效

监控 fd 数

select/poll

epoll

10-100

快（或近）

略增 setup 开销

100-1000

慢（线性）

O(1)

1000-10000

不可用（实际也接近 limit）

高效

10000+

不可用

高效

When：(1) fd 上千、活跃 fd 比例小 → epoll；(2) 仅有几十 fd → select/poll 足够；(3) 监控数千 inactive fd 上偶发事件 → epoll。

Example：QT/GTK GUI 程序需要监控 stdio + X server socket + filesystem fd —— 数量小，select 完全够；Nginx 处理 10k 长连接 → epoll 必备。

63.4.6 Edge-triggered 模式的注意事项

What：ET 要求 (1) O_NONBLOCK 必须开启；(2) 接事件后循环 read/write 到 EAGAIN；(3) 防止一个 fd 饿死其他 fd。

Why：(1) ET 的语义就是「fd 就绪时只通知一次」，漏读则数据可能驻留内核直到下次 close；(2) 长 read 阻塞会让其他 fd 等不到机会。

How（epoll ET 服务器关键写法）：

accept 后立即 accept4(SOCK_NONBLOCK)；
注册 EPOLLIN | EPOLLET；
事件到达后 while (read() > 0) 直到 EAGAIN。

When：(1) 严格避免一 fd 饿死其他 fd 时 → ET；(2) 写 fd 时担心写阻塞 → 必须 O_NONBLOCK；(3) 单线程 ET server + 公平 schedule。

Example：写 epoll ET echo server：每 receive event 必须一次读到 EAGAIN，否则 echo 漏数据。

63.5 pselect 与 self-pipe trick

What：(1) pselect 在 select 之前原子地设置 sigmask；(2) self-pipe trick：signal handler 写 1 字节到 pipe，主循环用 select 监控 read 端——将「信号 + 多 fd」统一到 select。

Why：经典问题——「如何在主循环既能 select 又能处理信号」；原子地换 mask 可避免 EINTR 时 mask 没改导致的竞争。

How：

#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
            const sigset_t *sigmask);
/* sigmask 临时代替本进程 mask；select 返回前恢复 */

self-pipe trick 5 步： . 创建 pipe（fd[2]）； . 设 handler sigio_handler，handler 内 write(fd[1], "x", 1)（async-signal-safe）； . 把 fd[0] 加到 select 监控集合； . 主循环 select 阻塞到 fd[0] ready → 读 1 字节 → 处理信号； . 用单独的 sigprocmask 阻塞信号避免 race（通常在 select 前临时阻塞、handler 写完 pipe 后原子化）。

When：(1) 想阻塞等 fd ready + 同时响应信号 → pselect 或 self-pipe；(2) alarm/timeout 信号要唤醒 select → self-pipe。

Example：libev / libuv 内部实现即 self-pipe + epoll 或 kqueue。

三、关键图表

关键系统调用一览

函数头用途

select

<sys/select.h>

多 fd 可移植多路复用

poll

<poll.h>

多 fd 多路复用（数组 + revents）

epoll_create / epoll_create1

<sys/epoll.h>

建 epoll 实例

epoll_ctl

<sys/epoll.h>

epoll_wait / epoll_pwait

<sys/epoll.h>

等 ready 事件

fcntl F_SETOWN / F_SETSIG

<fcntl.h>

O_ASYNC 信号 owner 与 signal 选择

F_GETOWN / F_GETSIG

同上

反向读取

accept4

<sys/socket.h>

accept + 设 nonblocking + CLOEXEC

pselect

<sys/select.h>

select + 临时 sigmask

poll / epoll 事件 bit 速查

事件 bit

poll

epoll

可读

POLLIN

EPOLLIN

可写

POLLOUT

EPOLLOUT

高优先级

POLLPRI

EPOLLPRI

hangup

POLLHUP

EPOLLHUP

错误

POLLERR

EPOLLERR

peer close 写半

POLLRDHUP（_GNU_SOURCE）

EPOLLRDHUP

一次性

(无)

EPOLLONESHOT

边沿触发

(无)

EPOLLET

独占（多进程 listen）

(无)

EPOLLEXCLUSIVE

唤醒 epoll_wait 中

(无)

EPOLLWAKEUP

四、思维导图

mindmap
  root((第 63 章 备选 I/O))
    三种模型
      select poll 多路复用
      signal driven SIGIO
      epoll LT ET
    阻塞模型局限
      单 fd 阻塞
      polling 费 CPU
      多进程开销
    select
      fd_set 三类
      FD_SETSIZE 1024
      timeout NULL 无限
      重初始化
    poll
      pollfd 数组
      events revents 分开
      POLLIN POLLOUT HUP
      POLLRDHUP
    fd 何时 ready
      regular file
      pipe socket
      OOB 数据
      peer close
    signal driven
      O_ASYNC F_SETOWN
      SIGIO handler
      F_SETSIG realtime
      siginfo si_fd si_band
    epoll
      epoll_create
      epoll_ctl add mod del
      epoll_wait
      EPOLLIN OUT HUP ET
      EPOLLONESHOT EXCLUSIVE
    LT vs ET
      状态 vs 状态变化
      O_NONBLOCK 必开
      循环到 EAGAIN
      防一个 fd 饿死
    pselect self pipe
      原子 sigmask
      pipe trick 写 1 byte
      libev libuv 实例

五、重点与易错点

三种模型的核心区别是「内核是否记住 fd 列表」——select/poll 每次重传；signal-driven 与 epoll 内核持久化，性能随 fd 数线性 vs 与事件数相关。
select 的 FD_SETSIZE=1024 是硬上限——不是由 nfds 控制，是 fd_set 类型大小限定；要突破必须改头文件 FD_SETSIZE 并重编译，几乎没人这么干。
select 三类 fd_set 都需在每次调用前重新初始化（value-result）；可用 nfds = max_fd + 1 减少内核工作量。
select 不应被信号自动重启——handler 内务必不让 SA_RESTART + select 组合；多数实现 errno = EINTR。
select 与 poll 在 2.6 性能差距已收敛——但大量 fd 仍 prefer poll（fd 集合可变、POLLNVAL 标识能力）。
O_ASYNC 必须先装 SIGIO handler 再启用——否则 default kill 进程；handler 内仅设置 sig_atomic_t flag，不要做复杂事。
signal-driven I/O 默认 SIGIO 是普通信号——多事件会丢失；用 F_SETSIG 改 realtime signal + SA_SIGINFO + siginfo.si_fd 才有完整事件信息。
epoll 是 Linux 2.6 起几乎替代 select/poll——C10K / C10M 推荐；学习曲线稍陡（LT/ET 语义、event.data 选取）。
epoll ET 模式必须 O_NONBLOCK——否则 read/write 阻塞会等到的下一次 ready 永远不会到，被该 fd 阻塞。
epoll ET + accept 必须 accept 到 EAGAIN——不要 accept 一次就 break。
epoll ET 容易饿死其他 fd——accept 后立即处理所有 ready fd，处理其他 fd 时不要在同一轮花太久。
EPOLLONESHOT 用于多线程共享同一 fd——一个 worker 处理完后用 EPOLL_CTL_MOD 重新 arm。
EPOLLEXCLUSIVE 防多 worker thundering herd（listen fd）；多个 worker 同时 accept 时只唤醒一个。
pselect 是 select 的原子版本——临时换 sigmask；常配合 self-pipe trick；解决「select + 信号」race。
self-pipe trick handler 中必须 async-signal-safe——只能 write()/_exit() 等；不要 printf，不要 malloc。
select timeout 在 Linux 上是 value-result（被减到剩余）；portable code 每次调用前重新初始化，勿依赖。
跨章衔接：第 56-62 章铺垫 socket/term；本章 epoll 是高并发 server 的核心；第 64 章 pty 数据交换常用 epoll 监控；第 44 章管道+ poll demo（poll_pipes）；第 33 章线程 + epollone-shot 是高性能网络编程模板。

第 63 章 备选 I/O 模型 (Alternative I/O Models)

核心结论

一、核心概念

二、详细笔记

63.1 三种备选 I/O 模型概述

63.1.1 Level-Triggered vs Edge-Triggered

63.2.1 select 系统调用

63.2.2 poll 系统调用

63.2.3 fd 何时算 ready

63.2.4 select vs poll 对比

63.3 Signal-Driven I/O / SIGIO

63.4 epoll API

63.4.5 epoll vs select/poll 性能

63.4.6 Edge-triggered 模式的注意事项

63.5 pselect 与 self-pipe trick

三、关键图表

四、思维导图

五、重点与易错点

第 63 章备选 I/O 模型 (Alternative I/O Models)