從事服務(wù)端開發(fā)，少不了要接觸網(wǎng)絡(luò)編程。epoll作為linux下高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的必備技術(shù)至關(guān)重要，nginx、redis、skynet和大部分游戲服務(wù)器都使用到這一多路復(fù)用技術(shù)。
因為epoll的重要性，不少游戲公司（如某某九九）在招聘服務(wù)端同學(xué)時，可能會問及epoll相關(guān)的問題。比如epoll和select的區(qū)別是什么？epoll高效率的原因是什么？如果只靠背誦，顯然不能算上深刻的理解。
網(wǎng)上雖然也有不少講解epoll的文章，但要不是過于淺顯，就是陷入源碼解析，很少能有通俗易懂的。于是決定編寫此文，讓缺乏專業(yè)背景知識的讀者也能夠明白epoll的原理。文章核心思想是：
要讓讀者清晰明白EPOLL為什么性能好。
本文會從網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)的流程講起，串聯(lián)起CPU中斷、操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度等知識；再一步步分析阻塞接收數(shù)據(jù)、select到epoll的進(jìn)化過程；最后探究epoll的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。
目錄
四、內(nèi)核接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)全過程
下圖是一個典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)圖，計算機(jī)由CPU、存儲器（內(nèi)存）、網(wǎng)絡(luò)接口等部件組成。了解epoll本質(zhì)的第一步，要從硬件的角度看計算機(jī)怎樣接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
? ? ? ? ? 計算機(jī)結(jié)構(gòu)圖（圖片來源：linux內(nèi)核完全注釋之微型計算機(jī)組成結(jié)構(gòu)）
下圖展示了網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)的過程。在①階段，網(wǎng)卡收到網(wǎng)線傳來的數(shù)據(jù)；經(jīng)過②階段的硬件電路的傳輸；最終將數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存中的某個地址上（③階段）。這個過程涉及到DMA傳輸、IO通路選擇等硬件有關(guān)的知識，但我們只需知道：網(wǎng)卡會把接收到的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)的過程
通過硬件傳輸，網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中。操作系統(tǒng)就可以去讀取它們。
了解epoll本質(zhì)的第二步，要從CPU的角度來看數(shù)據(jù)接收。要理解這個問題，要先了解一個概念——中斷。
計算機(jī)執(zhí)行程序時，會有優(yōu)先級的需求。比如，當(dāng)計算機(jī)收到斷電信號時（電容可以保存少許電量，供CPU運行很短的一小段時間），它應(yīng)立即去保存數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)的程序具有較高的優(yōu)先級。
一般而言，由硬件產(chǎn)生的信號需要cpu立馬做出回應(yīng)（不然數(shù)據(jù)可能就丟失），所以它的優(yōu)先級很高。cpu理應(yīng)中斷掉正在執(zhí)行的程序，去做出響應(yīng)；當(dāng)cpu完成對硬件的響應(yīng)后，再重新執(zhí)行用戶程序。中斷的過程如下圖，和函數(shù)調(diào)用差不多。只不過函數(shù)調(diào)用是事先定好位置，而中斷的位置由“信號”決定。
? ?中斷程序調(diào)用
以鍵盤為例，當(dāng)用戶按下鍵盤某個按鍵時，鍵盤會給cpu的中斷引腳發(fā)出一個高電平。cpu能夠捕獲這個信號，然后執(zhí)行鍵盤中斷程序。下圖展示了各種硬件通過中斷與cpu交互。
cpu中斷（圖片來源：net.pku.edu.cn）
現(xiàn)在可以回答本節(jié)提出的問題了：當(dāng)網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存后，網(wǎng)卡向cpu發(fā)出一個中斷信號，操作系統(tǒng)便能得知有新數(shù)據(jù)到來，再通過網(wǎng)卡中斷程序去處理數(shù)據(jù)。
了解epoll本質(zhì)的第三步，要從操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度的角度來看數(shù)據(jù)接收。阻塞是進(jìn)程調(diào)度的關(guān)鍵一環(huán)，指的是進(jìn)程在等待某事件（如接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)）發(fā)生之前的等待狀態(tài)，recv、select和epoll都是阻塞方法。了解“進(jìn)程阻塞為什么不占用cpu資源？”，也就能夠了解這一步。
為簡單起見，我們從普通的recv接收開始分析，先看看下面代碼：
//創(chuàng)建socket
ints = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
//綁定
bind(s, ...)
//監(jiān)聽
listen(s, ...)
//接受客戶端連接
intc = accept(s, ...)
//接收客戶端數(shù)據(jù)
recv(c, ...);
//將數(shù)據(jù)打印出來
printf(...)
這是一段最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)編程代碼，先新建socket對象，依次調(diào)用bind、listen、accept，最后調(diào)用recv接收數(shù)據(jù)。recv是個阻塞方法，當(dāng)程序運行到recv時，它會一直等待，直到接收到數(shù)據(jù)才往下執(zhí)行。
那么阻塞的原理是什么？
工作隊列
操作系統(tǒng)為了支持多任務(wù)，實現(xiàn)了進(jìn)程調(diào)度的功能，會把進(jìn)程分為“運行”和“等待”等幾種狀態(tài)。運行狀態(tài)是進(jìn)程獲得cpu使用權(quán)，正在執(zhí)行代碼的狀態(tài)；等待狀態(tài)是阻塞狀態(tài)，比如上述程序運行到recv時，程序會從運行狀態(tài)變?yōu)榈却隣顟B(tài)，接收到數(shù)據(jù)后又變回運行狀態(tài)。操作系統(tǒng)會分時執(zhí)行各個運行狀態(tài)的進(jìn)程，由于速度很快，看上去就像是同時執(zhí)行多個任務(wù)。
下圖中的計算機(jī)中運行著A、B、C三個進(jìn)程，其中進(jìn)程A執(zhí)行著上述基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)程序，一開始，這3個進(jìn)程都被操作系統(tǒng)的工作隊列所引用，處于運行狀態(tài)，會分時執(zhí)行。
工作隊列中有A、B和C三個進(jìn)程
等待隊列
當(dāng)進(jìn)程A執(zhí)行到創(chuàng)建socket的語句時，操作系統(tǒng)會創(chuàng)建一個由文件系統(tǒng)管理的socket對象（如下圖）。這個socket對象包含了發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)、等待隊列等成員。等待隊列是個非常重要的結(jié)構(gòu)，它指向所有需要等待該socket事件的進(jìn)程。
創(chuàng)建socket
當(dāng)程序執(zhí)行到recv時，操作系統(tǒng)會將進(jìn)程A從工作隊列移動到該socket的等待隊列中（如下圖）。由于工作隊列只剩下了進(jìn)程B和C，依據(jù)進(jìn)程調(diào)度，cpu會輪流執(zhí)行這兩個進(jìn)程的程序，不會執(zhí)行進(jìn)程A的程序。所以進(jìn)程A被阻塞，不會往下執(zhí)行代碼，也不會占用cpu資源。
socket的等待隊列
ps：操作系統(tǒng)添加等待隊列只是添加了對這個“等待中”進(jìn)程的引用，以便在接收到數(shù)據(jù)時獲取進(jìn)程對象、將其喚醒，而非直接將進(jìn)程管理納入自己之下。上圖為了方便說明，直接將進(jìn)程掛到等待隊列之下。
喚醒進(jìn)程
當(dāng)socket接收到數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)將該socket等待隊列上的進(jìn)程重新放回到工作隊列，該進(jìn)程變成運行狀態(tài)（當(dāng)socket事件觸發(fā)時，也就是有數(shù)據(jù)到來，會取下一個進(jìn)程結(jié)構(gòu)調(diào)用其回調(diào)，將其掛到工作隊列中），繼續(xù)執(zhí)行代碼。也由于socket的接收緩沖區(qū)已經(jīng)有了數(shù)據(jù)，recv可以返回接收到的數(shù)據(jù)。
四、內(nèi)核接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)全過程
這一步，貫穿網(wǎng)卡、中斷、進(jìn)程調(diào)度的知識，敘述阻塞recv下，內(nèi)核接收數(shù)據(jù)全過程。
如下圖所示，進(jìn)程在recv阻塞期間，計算機(jī)收到了對端傳送的數(shù)據(jù)（步驟①）。數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)卡傳送到內(nèi)存（步驟②），然后網(wǎng)卡通過中斷信號通知cpu有數(shù)據(jù)到達(dá)，cpu執(zhí)行中斷程序（步驟③）。此處的中斷程序主要有兩項功能，先將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫入到對應(yīng)socket的接收緩沖區(qū)里面（步驟④），再喚醒進(jìn)程A（步驟⑤），重新將進(jìn)程A放入工作隊列中。
內(nèi)核接收數(shù)據(jù)全過程
喚醒進(jìn)程的過程如下圖所示。
喚醒進(jìn)程
以上是內(nèi)核接收數(shù)據(jù)全過程
這里留有兩個思考題，大家先想一想。
其一，操作系統(tǒng)如何知道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對應(yīng)于哪個socket？
其二，如何同時監(jiān)視多個socket的數(shù)據(jù)？
（——我是分割線，想好了才能往下看哦~）
公布答案的時刻到了。
第一個問題：因為一個socket對應(yīng)著一個端口號，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中包含了ip和端口的信息，內(nèi)核可以通過端口號找到對應(yīng)的socket。當(dāng)然，為了提高處理速度，操作系統(tǒng)會維護(hù)端口號到socket的索引結(jié)構(gòu)，以快速讀取。（就是說網(wǎng)卡中斷CPU后，CPU的中斷函數(shù)從網(wǎng)卡存數(shù)據(jù)的內(nèi)存拷貝數(shù)據(jù)到對應(yīng)fd的接收緩沖區(qū)，具體是哪一個fd，CPU會檢查port，放到對應(yīng)的fd中）
第二個問題是多路復(fù)用的重中之重，是本文后半部分的重點！
服務(wù)端需要管理多個客戶端連接，而recv只能監(jiān)視單個socket，這種矛盾下，人們開始尋找監(jiān)視多個socket的方法。epoll的要義是高效的監(jiān)視多個socket。從歷史發(fā)展角度看，必然先出現(xiàn)一種不太高效的方法，人們再加以改進(jìn)。只有先理解了不太高效的方法，才能夠理解epoll的本質(zhì)。
假如能夠預(yù)先傳入一個socket列表，如果列表中的socket都沒有數(shù)據(jù)，掛起進(jìn)程，直到有一個socket收到數(shù)據(jù)，喚醒進(jìn)程。這種方法很直接，也是select的設(shè)計思想。
為方便理解，我們先復(fù)習(xí)select的用法。在如下的代碼中，先準(zhǔn)備一個數(shù)組（下面代碼中的fds），讓fds存放著所有需要監(jiān)視的socket。然后調(diào)用select，如果fds中的所有socket都沒有數(shù)據(jù)，select會阻塞，直到有一個（也可以是多個）socket接收到數(shù)據(jù)，select返回，喚醒進(jìn)程。用戶可以遍歷fds，通過FD_ISSET判斷具體哪個socket收到數(shù)據(jù)，然后做出處理。
ints = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)
intfds[] =? 存放需要監(jiān)聽的socket
while(1){
intn = select(..., fds, ...)
for(inti=0; i < fds.count; i++){
if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
//fds[i]的數(shù)據(jù)處理
? ? ? ? }
? ? }
}
select的流程
select的實現(xiàn)思路很直接。假如程序同時監(jiān)視如下圖的sock1、sock2和sock3三個socket，那么在調(diào)用select之后，操作系統(tǒng)把進(jìn)程A（包括了select邏輯）分別加入這三個socket的等待隊列中（前文說過，放的其實是進(jìn)程A的引用）。
操作系統(tǒng)把進(jìn)程A分別加入這三個socket的等待隊列中
當(dāng)任何一個socket收到數(shù)據(jù)后，中斷程序?qū)酒疬M(jìn)程。下圖展示了sock2接收到了數(shù)據(jù)的處理流程。
ps：recv和select的中斷回調(diào)可以設(shè)置成不同的內(nèi)容。
sock2接收到了數(shù)據(jù)，中斷程序喚起進(jìn)程A
所謂喚起進(jìn)程，就是將進(jìn)程從所有的等待隊列中移除，加入到工作隊列里面。如下圖所示。
將進(jìn)程A從所有等待隊列中移除，再加入到工作隊列里面
經(jīng)由這些步驟，當(dāng)進(jìn)程A被喚醒后，它知道至少有一個socket接收了數(shù)據(jù)。程序只需遍歷一遍socket列表，就可以得到就緒的socket。
這種簡單方式行之有效，在幾乎所有操作系統(tǒng)都有對應(yīng)的實現(xiàn)。
但是簡單的方法往往有缺點，主要是：
其一，每次調(diào)用select都需要將進(jìn)程加入到所有監(jiān)視socket的等待隊列，每次喚醒都需要從每個隊列中移除。這里涉及了兩次遍歷（遍歷進(jìn)程A關(guān)心的所有socket，需要注意的是添加從等待隊列頭部添加，刪除通過回調(diào)直接實現(xiàn)，所以每個socket的等待隊列不用遍歷），而且每次都要將整個fds列表傳遞給內(nèi)核，有一定的開銷。正是因為遍歷操作開銷大，出于效率的考量，才會規(guī)定select的最大監(jiān)視數(shù)量，默認(rèn)只能監(jiān)視1024個socket。
其二，進(jìn)程被喚醒后，程序并不知道哪些socket收到數(shù)據(jù)，還需要遍歷一次（這一次遍歷是在應(yīng)用層）。
那么，有沒有減少遍歷的方法？有沒有保存就緒socket的方法？這兩個問題便是epoll技術(shù)要解決的。
當(dāng)程序調(diào)用select時，內(nèi)核會先遍歷一遍socket，如果有一個以上的socket接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，那么select直接返回，不會阻塞。這也是為什么select的返回值有可能大于1的原因之一。如果沒有socket有數(shù)據(jù)，進(jìn)程才會阻塞
epoll是在select出現(xiàn)N多年后才被發(fā)明的，是select和poll的增強(qiáng)版本。epoll通過以下一些措施來改進(jìn)效率。
措施一：功能分離
select低效的原因之一是將“維護(hù)等待隊列”和“阻塞進(jìn)程”兩個步驟合二為一。如下圖所示，每次調(diào)用select都需要這兩步操作，然而大多數(shù)應(yīng)用場景中，需要監(jiān)視的socket相對固定，并不需要每次都修改。epoll將這兩個操作分開，先用epoll_ctl維護(hù)等待隊列，再調(diào)用epoll_wait阻塞進(jìn)程（解耦）。顯而易見的，效率就能得到提升。
相比select，epoll拆分了功能
為方便理解后續(xù)的內(nèi)容，我們先復(fù)習(xí)下epoll的用法。如下的代碼中，先用epoll_create創(chuàng)建一個epoll對象epfd，再通過epoll_ctl將需要監(jiān)視的socket添加到epfd中，最后調(diào)用epoll_wait等待數(shù)據(jù)。
ints = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)
intepfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...);//將所有需要監(jiān)聽的socket添加到epfd中
while(1){
intn = epoll_wait(...)
for(接收到數(shù)據(jù)的socket){
//處理
? ? }
}
功能分離，使得epoll有了優(yōu)化的可能。
措施二：就緒列表
select低效的另一個原因在于程序不知道哪些socket收到數(shù)據(jù)，只能一個個遍歷。如果內(nèi)核維護(hù)一個“就緒列表”，引用收到數(shù)據(jù)的socket，就能避免遍歷。如下圖所示，計算機(jī)共有三個socket，收到數(shù)據(jù)的sock2和sock3被rdlist（就緒列表）所引用。當(dāng)進(jìn)程被喚醒后，只要獲取rdlist的內(nèi)容，就能夠知道哪些socket收到數(shù)據(jù)。（這里引出了另一個問題：
一般認(rèn)為如果在并發(fā)量低，socket都比較活躍的情況下，select效率更高，也就是說活躍socket數(shù)目與監(jiān)控的總的socket數(shù)目之比越大，select效率越高，因為select反正都會遍歷所有的socket，如果比例大，就沒有白白遍歷。加之于select本身實現(xiàn)比較簡單，導(dǎo)致總體現(xiàn)象比epoll好）
就緒列表示意圖
本節(jié)會以示例和圖表來講解epoll的原理和流程。
創(chuàng)建epoll對象
如下圖所示，當(dāng)某個進(jìn)程調(diào)用epoll_create方法時，內(nèi)核會創(chuàng)建一個eventpoll對象（也就是程序中epfd所代表的對象）。eventpoll對象也是文件系統(tǒng)中的一員，和socket一樣，它也會有等待隊列（有線程會等待其事件觸發(fā)，比如調(diào)用epoll_wait的線程就會阻塞在其上）。
內(nèi)核創(chuàng)建eventpoll對象
創(chuàng)建一個代表該epoll的eventpoll對象是必須的，因為內(nèi)核要維護(hù)“就緒列表”等數(shù)據(jù)，“就緒列表”可以作為eventpoll的成員。
維護(hù)監(jiān)視列表
創(chuàng)建epoll對象后，可以用epoll_ctl添加或刪除所要監(jiān)聽的socket。以添加socket為例，如下圖，如果通過epoll_ctl添加sock1、sock2和sock3的監(jiān)視，內(nèi)核會將eventpoll添加到這三個socket的等待隊列中。
添加所要監(jiān)聽的socket
當(dāng)socket收到數(shù)據(jù)后，中斷程序會操作eventpoll對象，而不是直接操作進(jìn)程（也就是調(diào)用epoll的進(jìn)程）。
接收數(shù)據(jù)
當(dāng)socket收到數(shù)據(jù)后，中斷程序會給eventpoll的“就緒列表”添加socket引用。如下圖展示的是sock2和sock3收到數(shù)據(jù)后，中斷程序讓rdlist引用這兩個socket。
給就緒列表添加引用
eventpoll對象相當(dāng)于是socket和進(jìn)程之間的中介，socket的數(shù)據(jù)接收并不直接影響進(jìn)程，而是通過改變eventpoll的就緒列表來改變進(jìn)程狀態(tài)。
當(dāng)程序執(zhí)行到epoll_wait時，如果rdlist已經(jīng)引用了socket，那么epoll_wait直接返回，如果rdlist為空，阻塞進(jìn)程。
阻塞和喚醒進(jìn)程
假設(shè)計算機(jī)中正在運行進(jìn)程A和進(jìn)程B，在某時刻進(jìn)程A運行到了epoll_wait語句。如下圖所示，內(nèi)核會將進(jìn)程A放入eventpoll的等待隊列中，阻塞進(jìn)程。
epoll_wait阻塞進(jìn)程
當(dāng)socket接收到數(shù)據(jù)，中斷程序一方面修改rdlist，另一方面喚醒eventpoll等待隊列中的進(jìn)程，進(jìn)程A再次進(jìn)入運行狀態(tài)（如下圖）。也因為rdlist的存在，進(jìn)程A可以知道哪些socket發(fā)生了變化。
epoll喚醒進(jìn)程
至此，相信讀者對epoll的本質(zhì)已經(jīng)有一定的了解。但我們還留有一個問題，eventpoll的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么樣子？
再留兩個問題，就緒隊列應(yīng)該應(yīng)使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？eventpoll應(yīng)使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理通過epoll_ctl添加或刪除的socket？
（——我是分割線，想好了才能往下看哦~）
如下圖所示，eventpoll包含了lock、mtx、wq（等待隊列）、rdlist等成員。rdlist和rbr是我們所關(guān)心的。
epoll原理示意圖，圖片來源：《深入理解Nginx：模塊開發(fā)與架構(gòu)解析(第二版)》，陶輝
就緒列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
就緒列表引用著就緒的socket，所以它應(yīng)能夠快速的插入數(shù)據(jù)。
程序可能隨時調(diào)用epoll_ctl添加監(jiān)視socket，也可能隨時刪除。當(dāng)刪除時，若該socket已經(jīng)存放在就緒列表中，它也應(yīng)該被移除。（事實上，每個epoll_item既是紅黑樹節(jié)點，也是鏈表節(jié)點，刪除紅黑樹節(jié)點，自然刪除了鏈表節(jié)點）
所以就緒列表應(yīng)是一種能夠快速插入和刪除的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。雙向鏈表就是這樣一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，epoll使用雙向鏈表來實現(xiàn)就緒隊列（對應(yīng)上圖的rdllist）。
索引結(jié)構(gòu)
既然epoll將“維護(hù)監(jiān)視隊列”和“進(jìn)程阻塞”分離，也意味著需要有個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存監(jiān)視的socket。至少要方便的添加和移除，還要便于搜索，以避免重復(fù)添加。紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹，搜索、插入和刪除時間復(fù)雜度都是O(log(N))，效率較好。epoll使用了紅黑樹作為索引結(jié)構(gòu)（對應(yīng)上圖的rbr）。
ps：因為操作系統(tǒng)要兼顧多種功能，以及由更多需要保存的數(shù)據(jù)，rdlist并非直接引用socket，而是通過epitem間接引用，紅黑樹的節(jié)點也是epitem對象。同樣，文件系統(tǒng)也并非直接引用著socket。為方便理解，本文中省略了一些間接結(jié)構(gòu)。
epoll在select和poll（poll和select基本一樣，有少量改進(jìn)）的基礎(chǔ)引入了eventpoll作為中間層，使用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一種高效的多路復(fù)用技術(shù)。
再留一點作業(yè)！
下表是個很常見的表，描述了select、poll和epoll的區(qū)別。讀完本文，讀者能否解釋select和epoll的時間復(fù)雜度為什么是O(n)和O(1)？
select、poll和epoll的區(qū)別。圖片來源《Linux高性能服務(wù)器編程》
