一、什么是 IO 多路复用？
IO 多路复用是一种单线程高效处理多个 IO 连接的机制。它的核心逻辑是：
让单个线程通过一个“多路复用器”同时监听多个 IO 通道（如网络连接），当某路 IO 就绪（如数据到达、可写入）时，线程再去处理该路 IO 的任务，处理完后回到监听状态，等待下一个就绪事件。
- “多路”：指多个独立的 IO 通道（如多个客户端连接）。
- “复用”：指单线程重复利用自身，轮流处理这些多路 IO，而非为每个 IO 单独创建线程。
二、为什么需要 IO 多路复用？
传统 IO 处理模式存在明显缺陷：
- 单线程单 IO：线程会阻塞在单个 IO 上（如等待数据到达），无法处理其他 IO，效率极低。
- 多线程多 IO：为每个 IO 创建线程会导致线程切换、内存开销激增（尤其在高并发场景）。
IO 多路复用的出现正是为了弥补这两个问题：用单线程的“时间分片”替代多线程的“空间分片”，在 IO 密集型场景（如网络通信）中实现高效调度。
三、核心原理：如何避免单线程被单个 IO 阻塞？
单线程之所以能同时监听多路 IO 且不被阻塞，关键在于将“等待 IO 就绪”的工作交给“多路复用器”，而非线程自身直接等待：
- 注册事件：线程将需要监听的 IO 通道（如客户端连接）注册到多路复用器（如 Linux 的 epoll、Windows 的 IOCP），并声明关心的事件（如“数据到达”“可写入”）。
- 阻塞等待通知：线程调用多路复用器的等待接口（如 epoll_wait），进入阻塞状态（不消耗 CPU）。此时线程阻塞的是“多路复用器”，而非某个具体 IO。
- 处理就绪 IO：当多路复用器检测到至少一个 IO 事件就绪时，会唤醒线程并返回就绪的 IO 列表。线程遍历列表，逐个处理这些 IO 的任务（如读取数据、返回结果），处理完后回到步骤 2 继续等待。
四、常见实现：不同操作系统的多路复用器
不同操作系统提供了不同的多路复用器实现，核心功能一致但性能有差异：
| 实现方式 | 适用系统 | 特点 |
|---|---|---|
| select | 跨平台（Linux/Windows 等） | 支持的 IO 数量有限（默认 1024），每次需遍历所有注册的 IO，效率较低。 |
| poll | Linux/UNIX 等 | 解决了 select 的数量限制，但仍需遍历所有 IO，高并发下效率一般。 |
| epoll | Linux | 采用“事件驱动”模式，只返回就绪的 IO，无需遍历全部，支持海量 IO（可达百万级），性能最优。 |
| kqueue | FreeBSD/MacOS 等 | 类似 epoll，性能优异，支持更多事件类型。 |
五、典型应用场景
IO 多路复用在高并发 IO 密集型场景中表现突出，例如：
- Redis：单线程 + epoll 处理数万客户端连接，因命令执行（内存操作）极快，串行处理就绪 IO 即可满足需求。
- Nginx：用多进程（或多线程）配合 epoll，每个进程通过 IO 多路复用处理大量连接，支撑高并发 Web 服务。
- 各类网络中间件：如消息队列、代理服务器等，需同时处理大量客户端连接时，均依赖 IO 多路复用提升效率。
六、关键优势总结
- 高效利用 CPU：线程仅在 IO 就绪时才处理任务，避免了阻塞等待的 CPU 浪费。
- 低开销：无需创建多线程，减少了线程切换和内存消耗。
- 支撑高并发：单线程可监听海量 IO 通道（如 epoll 支持百万级连接），适合高并发场景。
通过 IO 多路复用，单线程得以“以一敌多”，在不被单个 IO 阻塞的前提下，高效调度多路 IO 任务，成为高并发网络编程的核心技术之一。
