面试题：介绍下 socket 的多路复用？epoll 有哪些优点？

Socket 的多路复用

多路复用（Multiplexing）是一种允许单个线程同时监控多个文件描述符（如 Socket）的技术。通过多路复用，程序可以在一个线程中高效地处理多个 I/O 操作，而不需要为每个连接创建一个单独的线程。

常见的多路复用技术包括：

select：
- 最早的 I/O 多路复用技术。
- 通过轮询检查文件描述符的状态。
- 缺点：
  - 文件描述符数量有限（通常 1024）。
  - 每次调用都需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态。
  - 时间复杂度为 O(n)，效率较低。
poll：
- 改进版的 select，支持更多的文件描述符。
- 使用链表存储文件描述符，没有数量限制。
- 缺点：
  - 仍然需要轮询检查文件描述符的状态。
  - 每次调用需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态。
  - 时间复杂度为 O(n)，效率较低。
epoll：
- Linux 特有的高效多路复用技术。
- 使用事件驱动机制，避免了轮询。
- 优点：
  - 支持更多的文件描述符。
  - 时间复杂度为 O(1)，效率高。
  - 不需要每次调用都拷贝文件描述符集合。

`epoll` 的优点

epoll 是 Linux 下高性能的多路复用机制，相比于 select 和 poll，它具有以下优点：

高效的事件驱动机制：
- epoll 使用事件驱动模型，只有当文件描述符状态发生变化时才会通知程序，避免了轮询的开销。
- 时间复杂度为 O(1)，而 select 和 poll 的时间复杂度为 O(n)。
支持更多的文件描述符：
- epoll 没有文件描述符数量的限制（仅受系统资源限制），而 select 通常限制为 1024。
减少数据拷贝：
- epoll 使用内核事件表来管理文件描述符，只有在初始化时需要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态。
- 后续的事件通知不需要拷贝文件描述符集合，减少了系统调用和数据拷贝的开销。
边缘触发（ET）和水平触发（LT）模式：
- 水平触发（LT）：只要文件描述符处于就绪状态，epoll 就会持续通知程序。
- 边缘触发（ET）：只有当文件描述符状态发生变化时，epoll 才会通知程序。
- ET 模式可以减少事件通知的次数，提高效率。
动态管理文件描述符：
- epoll 支持动态添加、修改和删除文件描述符，而 select 和 poll 每次调用都需要重新设置文件描述符集合。

`epoll` 的核心 API

epoll_create：

创建一个 epoll 实例，返回一个文件描述符。

示例：

int epoll_fd = epoll_create1(0);
if (epoll_fd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

epoll_ctl：

向 epoll 实例中添加、修改或删除文件描述符。

示例：

struct epoll_event event;
event.events = EPOLLIN;  // 监听读事件
event.data.fd = sock_fd; // 监听的 Socket 文件描述符
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &event) == -1) {
    perror("epoll_ctl");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

epoll_wait：

等待文件描述符上的事件。

示例：

struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); // 阻塞等待
for (int i = 0; i < n; ++i) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 处理读事件
    }
}

`epoll` 的工作模式

水平触发（LT）：
- 默认模式。
- 只要文件描述符处于就绪状态，epoll_wait 就会持续通知程序。
边缘触发（ET）：
- 需要显式设置 EPOLLET 标志。
- 只有当文件描述符状态发生变化时，epoll_wait 才会通知程序。

示例代码

以下是一个简单的 epoll 服务器示例：

#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

#define MAX_EVENTS 10

int main() {
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(8080);

    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind");
        close(sock_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(sock_fd, SOMAXCONN) == -1) {
        perror("listen");
        close(sock_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        close(sock_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    struct epoll_event event;
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = sock_fd;
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &event) == -1) {
        perror("epoll_ctl");
        close(sock_fd);
        close(epoll_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    while (true) {
        int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            if (events[i].data.fd == sock_fd) {
                // 处理新连接
                int client_fd = accept(sock_fd, nullptr, nullptr);
                if (client_fd == -1) {
                    perror("accept");
                    continue;
                }
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;  // 设置为 ET 模式
                event.data.fd = client_fd;
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event) == -1) {
                    perror("epoll_ctl");
                    close(client_fd);
                }
            } else {
                // 处理客户端数据
                char buffer[1024];
                ssize_t len = read(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer));
                if (len <= 0) {
                    close(events[i].data.fd);
                } else {
                    write(events[i].data.fd, buffer, len);
                }
            }
        }
    }

    close(sock_fd);
    close(epoll_fd);
    return 0;
}