搞懂這篇文章，關于IO復用的問題就信手拈來了

以一個生活中的例子來解釋.
假設你在大學中讀書,要等待一個朋友來訪,而這個朋友只知道你在A號樓,但是不知道你具體住在哪里,于是你們約好了在A號樓門口見面.
如果你使用的阻塞IO模型來處理這個問題,那么你就只能一直守候在A號樓門口等待朋友的到來,在這段時間里你不能做別的事情,不難知道,這種方式的效率是低下的.

進一步解釋select和epoll模型的差異.

select版大媽做的是如下的事情:比如同學甲的朋友來了,select版大媽比較笨,她帶著朋友挨個房間進行查詢誰是同學甲,你等的朋友來了,于是在實際的代碼中,select版大媽做的是以下的事情:

int n = select(&readset,NULL,NULL,100); 
for (int i = 0; n > 0; ++i) {
     if (FD_ISSET(fdarray[i], &readset)) {
         do_something(fdarray[i]); --n; 
    } 
}

epoll版大媽就比較先進了,她記下了同學甲的資訊,比如說他的房間號,那么等同學甲的朋友到來時,只需要告訴該朋友同學甲在哪個房間即可,不用自己親自帶著人滿大樓的找人了.于是epoll版大媽做的事情可以用如下的代碼表示:

n = epoll_wait(epfd,events,20,500);
for(i=0;i<n;++i) { do_something(events[n]);
}
在epoll中,關鍵的資料結構epoll_event定義如下:

typedef union epoll_data {
     void *ptr;
     int fd; 
     __uint32_t u32;
     __uint64_t u64; 
}epoll_data_t; 
struct epoll_event { 
    __uint32_t events; /* Epoll events */ 
    epoll_data_t data;/* User data variable */
 }; 

可以看到,epoll_data是一個union結構體,它就是epoll版大媽用于保存同學資訊的結構體,它可以保存很多型別的資訊:
fd,指標,等等.有了這個結構體,epoll大媽可以不用吹灰之力就可以定位到同學甲.

別小看了這些效率的提高,在一個大規模并發的服務器中,輪詢IO是最耗時間的操作之一.再回到那個例子中,如果每到來一個朋友樓管大媽都要全樓的查詢同學,那么處理的效率必然就低下了,過不久樓底就有不少的人了.

對比最早給出的阻塞IO的處理模型, 可以看到采用了多路復用IO之后, 程式可以自由的進行自己除了IO操作之外的作業, 只有到IO狀態發生變化的時候由多路復用IO進行通知, 然后再采取相應的操作, 而不用一直阻塞等待IO狀態發生變化了.

從上面的分析也可以看出,epoll比select的提高實際上是一個用空間換時間思想的具體應用.

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二、深入理解epoll的實作原理：開發高性能網路程式時，windows開發者們言必稱iocp，linux開發者們則言必稱epoll，

大家都明白epoll是一種IO多路復用技術，可以非常高效的處理數以百萬計的socket句柄，比起以前的select和poll效率高大發了，

我們用起epoll來都感覺挺爽，確實快，那么，它到底為什么可以高速處理這么多并發連接呢？

先簡單回顧下如何使用C庫封裝的3個epoll系統呼叫吧，

int epoll_create(int size); 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

使用起來很清晰，首先要呼叫epoll_create建立一個epoll物件，引數size是內核保證能夠正確處理的最大句柄數，多于這個最大數時內核可不保證效果，
epoll_ctl可以操作上面建立的epoll，例如，將剛建立的socket加入到epoll中讓其監控，或者把 epoll正在監控的某個socket句柄移出epoll，不再監控它等等，

epoll_wait在呼叫時，在給定的timeout時間內，當在監控的所有句柄中有事件發生時，就回傳用戶態的行程，
從上面的呼叫方式就可以看到epoll比select/poll的優越之處：

因為后者每次呼叫時都要傳遞你所要監控的所有socket給select/poll系統呼叫，這意味著需要將用戶態的socket串列copy到內核態，如果以萬計的句柄會導致每次都要copy幾十幾百KB的記憶體到內核態，非常低效，

而我們呼叫epoll_wait時就相當于以往呼叫select/poll，但是這時卻不用傳遞socket句柄給內核，因為內核已經在epoll_ctl中拿到了要監控的句柄串列，

所以，實際上在你呼叫epoll_create后，內核就已經在內核態開始準備幫你存盤要監控的句柄了，每次呼叫epoll_ctl只是在往內核的資料結構里塞入新的socket句柄，

在內核里，一切皆檔案，所以，epoll向內核注冊了一個檔案系統，用于存盤上述的被監控socket，

當你呼叫epoll_create時，就會在這個虛擬的epoll檔案系統里創建一個file結點，當然這個file不是普通檔案，它只服務于epoll，epoll在被內核初始化時（作業系統啟動），同時會開辟出epoll自己的內核高速cache區，用于安置每一個我們想監控的socket，這些socket會以紅黑樹的形式保存在內核cache里，以支持快速的查找、插入、洗掉，

這個內核高速cache區，就是建立連續的物理記憶體頁，然后在之上建立slab層，簡單的說，就是物理上分配好你想要的size的記憶體物件，每次使用時都是使用空閑的已分配好的物件，

static int __init eventpoll_init(void) {
… …
/* Allocates slab cache used to allocate “struct epitem” items /
epi_cache = kmem_cache_create(“eventpoll_epi”, sizeof(struct epitem),0,SLAB_HWCACHE_ALIGN| EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
/ Allocates slab cache used to allocate “struct eppoll_entry” */
pwq_cache = kmem_cache_create(“eventpoll_pwq”, sizeof(struct eppoll_entry), 0, EPI_SLAB_DEBUG|SLAB_PANIC, NULL, NULL);
… …
epoll的高效就在于，當我們呼叫epoll_ctl往里塞入百萬個句柄時，epoll_wait仍然可以飛快的回傳，并有效的將發生事件的句柄給我們用戶，

這是由于我們在呼叫epoll_create時，內核除了幫我們在epoll檔案系統里建了個file結點，在內核cache里建了個紅黑樹用于存盤以后epoll_ctl傳來的socket外，還會再建立一個list鏈表，用于存盤準備就緒的事件，當epoll_wait呼叫時，僅僅觀察這個list鏈表里有沒有資料即可，有資料就回傳，沒有資料就sleep，等到timeout時間到后即使鏈表沒資料也回傳，所以，epoll_wait非常高效，

那么，這個準備就緒list鏈表是怎么維護的呢？當我們執行epoll_ctl時，除了把socket放到epoll檔案系統里file物件對應的紅黑樹上之外，還會給內核中斷處理程式注冊一個回呼函式，告訴內核，如果這個句柄的中斷到了，就把它放到準備就緒list鏈表里，

所以，當一個socket上有資料到了，內核在把網卡上的資料copy到內核中后就來把socket插入到準備就緒鏈表里了，
如此，一顆紅黑樹，一張準備就緒句柄鏈表，少量的內核cache，就幫我們解決了大并發下的socket處理問題，

執行epoll_create時，創建了紅黑樹和就緒鏈表，執行epoll_ctl時，如果增加socket句柄，則檢查在紅黑樹中是否存在，存在立即回傳，不存在則添加到樹干上，然后向內核注冊回呼函式，用于當中斷事件來臨時向準備就緒鏈表中插入資料，執行epoll_wait時立刻回傳準備就緒鏈表里的資料即可，

最后看看epoll獨有的兩種模式LT和ET，無論是LT和ET模式，都適用于以上所說的流程，

區別是，LT模式下，只要一個句柄上的事件一次沒有處理完，會在以后呼叫epoll_wait時次次回傳這個句柄，而ET模式僅在第一次回傳，

這件事怎么做到的呢？當一個socket句柄上有事件時，內核會把該句柄插入上面所說的準備就緒list鏈表，這時我們呼叫epoll_wait，會把準備就緒的socket拷貝到用戶態記憶體，然后清空準備就緒list鏈表，最后，epoll_wait干了件事，就是檢查這些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），并且這些socket上確實有未處理的事件時，又把該句柄放回到剛剛清空的準備就緒鏈表了，

所以，非ET的句柄，只要它上面還有事件，epoll_wait每次都會回傳，而ET模式的句柄，除非有新中斷到，即使socket上的事件沒有處理完，也是不會次次從epoll_wait回傳的，

三、擴展閱讀（epoll與之前其他相關技術的比較）：

Linux提供了select、poll、epoll介面來實作IO復用，三者的原型如下所示，本文從引數、實作、性能等方面對三者進行對比，

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
select、poll、epoll_wait引數及實作對比

1、select的第一個引數nfds為fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一個位陣列，其大小限制為__FD_SETSIZE（1024），位陣列的每一位代表其對應的描述符是否需要被檢查，
select的第二三四個引數表示需要關注讀、寫、錯誤事件的檔案描述符位陣列，這些引數既是輸入引數也是輸出引數，可能會被內核修改用于標示哪些描述符上發生了關注的事件，
所以每次呼叫select前都需要重新初始化fdset，
timeout引數為超時時間，該結構會被內核修改，其值為超時剩余的時間，
select對應于內核中的sys_select呼叫，sys_select首先將第二三四個引數指向的fd_set拷貝到內核，然后對每個被SET的描述符呼叫進行poll，并記錄在臨時結果中（fdset），如果有事件發生，select會將臨時結果寫到用戶空間并回傳；當輪詢一遍后沒有任何事件發生時，如果指定了超時時間，則select會睡眠到超時，睡眠結束后再進行一次輪詢，并將臨時結果寫到用戶空間，然后回傳， select回傳后，需要逐一檢查關注的描述符是否被SET（事件是否發生），

2、poll與select不同，通過一個pollfd陣列向內核傳遞需要關注的事件，故沒有描述符個數的限制，pollfd中的events欄位和revents分別用于標示關注的事件和發生的事件，故pollfd陣列只需要被初始化一次，
poll的實作機制與select類似，其對應內核中的sys_poll，只不過poll向內核傳遞pollfd陣列，然后對pollfd中的每個描述符進行poll，相比處理fdset來說，poll效率更高， poll回傳后，需要對pollfd中的每個元素檢查其revents值，來得指事件是否發生，

3、epoll通過epoll_create創建一個用于epoll輪詢的描述符，通過epoll_ctl添加/修改/洗掉事件，通過epoll_wait檢查事件，epoll_wait的第二個引數用于存放結果， epoll與select、poll不同，首先，其不用每次呼叫都向內核拷貝事件描述資訊，在第一次呼叫后，事件資訊就會與對應的epoll描述符關聯起來，另外epoll不是通過輪詢，而是通過在等待的描述符上注冊回呼函式，當事件發生時，回呼函式負責把發生的事件存盤在就緒事件鏈表中，最后寫到用戶空間，

作者：金發萌音
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來源：簡書
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