Linux 並發 I/O 三大方案深度對比：非阻塞 I/O、I/O 多路復用、異步 I/O

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並發 I/O 模型分類

Linux 網路/系統程式設計中，處理多路 I/O 並發的三大主流方案：

多路非阻塞 I/O：輪詢 + O_NONBLOCK
I/O 多路復用：select/poll/epoll 內核級事件通知
異步 I/O (AIO)：內核完成整個 I/O 操作後通知使用者（aio_read/io_uring）

本文以「同時讀取鍵盤（stdin）與滑鼠（/dev/input/mouse1）」為例，展示前兩種方案的完整代碼實現。（註：Linux 原生 AIO 支援有限，範例採用 SIGIO 信號模擬）

方案一：多路非阻塞 I/O（輪詢模式）

核心：對所有關注的檔案描述符設定 O_NONBLOCK，迴圈中嘗試 read，EAGAIN 表示無資料，繼續下一個。

#include 
#include 
#include 
#include 

#define MOUSE_PATH "/dev/input/mouse1"

int main() {
    int fd = open(MOUSE_PATH, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd < 0) { perror("open mouse"); return 1; }

    // 設定 stdin 為非阻塞
    int flags = fcntl(0, F_GETFL);
    fcntl(0, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    char buf[200];
    while (1) {
        // 讀滑鼠
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        int ret = read(fd, buf, 50);
        if (ret > 0) printf("滑鼠: [%s]\n", buf);

        // 讀鍵盤
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        ret = read(0, buf, 50);
        if (ret > 0) printf("鍵盤: [%s]\n", buf);

        // 實際專案需加 usleep 降低 CPU 佔用
    }
    return 0;
}

缺點：忙等待（Busy Waiting）浪費 CPU；若描述符眾多，輪詢延遲大。

方案二：I/O 多路復用 — `select` 實現

select 讓內核監視多個 fd，任一就緒即返回，避免使用者態輪詢。

#include 
#include 

int main() {
    int fd = open(MOUSE_PATH, O_RDONLY);
    fd_set readset;
    struct timeval tv = {10, 0};  // 10 秒超時

    while (1) {
        FD_ZERO(&readset);
        FD_SET(fd, &readset);
        FD_SET(0, &readset);

        int ret = select(fd + 1, &readset, NULL, NULL, &tv);
        if (ret < 0) { perror("select"); break; }
        if (ret == 0) { puts("Timeout"); break; }

        if (FD_ISSET(fd, &readset)) {
            char buf[300] = {0};
            read(fd, buf, 50);
            printf("滑鼠: [%s]\n", buf);
        }
        if (FD_ISSET(0, &readset)) {
            char buf[300] = {0};
            read(0, buf, 50);
            printf("鍵盤: [%s]\n", buf);
        }
    }
    return 0;
}

方案二補充：`poll` 實現

poll 使用 struct pollfd 陣列，無 fd 數量限制（select 受 FD_SETSIZE 限制，通常 1024）。

#include 

struct pollfd fds[2] = {
    {0, POLLIN, 0},      // stdin
    {fd, POLLIN, 0}      // mouse
};

int ret = poll(fds, 2, 10000);  // 10 秒超時（毫秒）
if (ret > 0) {
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        if (fds[i].revents & POLLIN) {
            char buf[1024] = {0};
            read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));
            printf("fd %d: [%s]\n", fds[i].fd, buf);
        }
    }
}

方案三：異步 I/O — 信號驅動模擬（`SIGIO`）

真正的 AIO (aio_read/io_uring) 需核心支援與連結 -laio。此處示範傳統 SIGIO 機制：檔案就緒時內核發送 SIGIO，使用者註冊處理函式。

#include 
#include 

int mousefd;
void sigio_handler(int sig) {
    if (sig != SIGIO) return;
    char buf[1024] = {0};
    read(mousefd, buf, sizeof(buf));
    printf("滑鼠(異步): [%s]\n", buf);
}

int main() {
    mousefd = open(MOUSE_PATH, O_RDONLY);
    // 1. 設定檔案支援異步通知
    int flags = fcntl(mousefd, F_GETFL);
    fcntl(mousefd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);
    // 2. 設定接收 SIGIO 的進程/線程
    fcntl(mousefd, F_SETOWN, getpid());
    // 3. 註冊信號處理函式
    signal(SIGIO, sigio_handler);

    // 主迴圈處理鍵盤（同步阻塞）
    char buf[1024];
    while (1) {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        read(0, buf, sizeof(buf));
        printf("鍵盤: [%s]\n", buf);
    }
}

三大方案核心對比表

維度	非阻塞輪詢	select/poll	epoll (LT/ET)	異步 I/O (AIO/io_uring)
程式複雜度	低	中	中高	高
CPU 佔用	高（忙等待）	低（阻塞於內核）	極低	極低
最大連接數	受限於輪詢頻率	1024 (select) / 無限 (poll)	百萬級	百萬級
適用場景	極少量 fd、簡單工具	中小型服務、跨平台	高併發伺服器 (Nginx, Redis)	高效能儲存/網路、資料庫引擎
資料拷貝	用戶態多次	用戶態多次	可零拷貝 (splice)	內核直接到用戶緩衝區