谈谈epoll实现原理

最近看的memcache和redis都使用了基于IO多路复用的高性能网络库．memcache使用了libevent，redis使用了自己封装的Mainae，原理都一样，都是封装底层的epoll,select,kqueue等等．而在linux平台下，使用最多的就是epoll，所以这篇文章想对epoll做个总结．

epoll接口

---

epoll接口非常简单，只有三个：

1	int epoll_create(int size);

 

这就是创建一个epoll句柄，同时也占用一个文件描述符．size指明这个epoll监听的数目有多大．

因为经常看到说这个size参数是个hint，所以我就man了下，发现从Linux 2.8.8开始，这个 size就被忽略了，只是个hint，内核会自动分配所有事件所需要的内存，但是size必须大于０，主要是为了与旧版本的epoll兼容．

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

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 */ }; ------------------------------------------------------------------ int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

 

这个函数用于向epoll注册一个事件，而且明确监听的事件类型；第一个参数为epoll句柄，第一个参数表示对这个fd监听事件的操作，用宏来表示，有以下三种:

1. EPOLL_CTL_ADD　将fd监听事件添加进epfd中；
2. EPOLL_CTL_MOD　修改已经注册的fd监听事件；
3. EPOLL_CTL_DEL　从epfd中删除fd事件 第三个参数为监听的套接字，第四个参数为监听fd的事件．

对于epoll_event结构体，events有以下几种:

1. EPOLLIN 表示对应的文件描述符可读(包括对端socket关闭)
2. EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
3. EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）
4. EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
5. EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
6. EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的；
7. EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。

而epoll_data_t是一个union，所以一次只能存储其中一种数据，可以是文件描述符fd，可以是传递的数据void*，可以是一个无符号长整形等等，但是最经常使用的是fd．

 

1	int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

 

这个函数用于等待事件的发生．第二个参数是用户自己开辟的一块事件数组，用于存储就绪的事件，第三个参数为这个数组的最大值，就是第二个参数事件数组的最大值，用户想监听fd的个数，第四个参数为超时时间(0表示立即返回，-1表示永久阻塞，直到有就绪事件)

epoll使用框架

---

epoll经常使用框架包括监听listenfd以及clientfd，当epoll_wait返回时，迭代每个事件，如果是listenfd,则接收客户端fd，并在epoll注册一个读事件；如果是clientfd的可读事件，则先读取数据，然后处理数据，将数据写进输出缓冲区，最后将clientfd可读事件改为可写事件，这也是异步写的精髓；如果是clientfd可写事件，则先发送数据，然后将可写事件改为可读事件．

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

for( ; ; ) { nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500); for(i=0;i { if(events[i].data.fd==listenfd) //如果是主socket的事件，则表示有新的连接 { connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接 ev.data.fd=connfd; ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中 } else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket { if ( (sockfd = events[i].data.fd) < 0) continue; n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0 //读 ev.data.ptr = md; //md为自定义类型，添加数据 ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET; epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓 } else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket { struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr; //取数据 sockfd = md->fd; send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 ); //发送数据 ev.data.fd=sockfd; ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据 } else { //其他情况的处理 } } }

 

对于libevent和redis的Mainae模块，原理一样，只是将处理数据部分替换成了回调函数，稍微更复杂一些．

epoll实现原理

---

在linux，一切皆文件．所以当调用epoll_create时，内核给这个epoll分配一个file，但是这个不是普通的文件，而是只服务于epoll．

所以当内核初始化epoll时，会开辟一块内核高速cache区，用于安置我们监听的socket，这些socket会以红黑树的形式保存在内核的cache里，以支持快速的查找，插入，删除．同时，建立了一盒list链表，用于存储准备就绪的事件．所以调用epoll_wait时，在timeout时间内，只是简单的观察这个list链表是否有数据，如果没有，则睡眠至超时时间到返回；如果有数据，则在超时时间到，拷贝至用户态events数组中．

那么，这个准备就绪list链表是怎么维护的呢？当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。

epoll有两种模式LT(水平触发)和ET(边缘触发)，LT模式下，主要缓冲区数据一次没有处理完，那么下次epoll_wait返回时，还会返回这个句柄；而ET模式下，缓冲区数据一次没处理结束，那么下次是不会再通知了，只在第一次返回．所以在ET模式下，一般是通过while循环，一次性读完全部数据．epoll默认使用的是LT．

这件事怎么做到的呢？当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait干了件事，就是检查这些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表了。所以，非ET的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。而ET模式的句柄，除非有新中断到，即使socket上的事件没有处理完，也是不会次次从epoll_wait返回的．

经常看到比较ET和LT模式到底哪个效率高的问题．有一个回答是说ET模式下减少epoll系统调用．这话没错，也可以理解，但是在ET模式下，为了避免数据饿死问题，用户态必须用一个循环，将所有的数据一次性处理结束．所以在ET模式下下，虽然epoll系统调用减少了，但是用户态的逻辑复杂了，write/read调用增多了．所以这不好判断，要看用户的性能瓶颈在哪．

epoll与select

---

最后需要说明的就是epoll与select/poll相比的优点．

1. 首先select/poll监听的文件描述符个数受限．select的文件描述符默认为2048，而现在的服务器连接数在轻轻松松就超过2048个；epoll支持的fd个数不受限制，它支持的fd上限是最大可以打开文件的数目，一般远大于2048，1G内存的机器上是大约10万左右．
2. select和poll需要循环检测所有fd是否就绪，当fd数量百万或者更多时，这是很耗时的，根据前面原理分析可知，epoll只处理就绪的fd，而一般一次epoll_wait返回时，就绪的fd是不多的，所以处理起来不是很耗时．

还有两点是关于用户态和内核态复制文件描述符，epoll使用的是共享内存，select全部复制，所以效率更低；epoll支持内核微调．

参考:

1. http://www.cnblogs.com/tangr206/articles/3118135.html
2. http://www.cnblogs.com/panfeng412/articles/2229095.html
3. http://blog.csdn.net/hdutigerkin/article/details/7517390