理解epoll

epoll模型是在单个线程中侦听多个套接字fd行为的一种IO多路复用模型。主要有epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait三个接口。

一、epoll的使用

1. 创建epoll句柄

int epfd = epoll_create(intsize);
创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数。

2.将被监听的描述符添加到epoll句柄或从epool句柄中删除或者对监听事件进行修改。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
参数：
epfd：由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
op：要进行的操作例如注册事件，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除
fd：关联的文件描述符；
event：指向epoll_event的指针；
如果调用成功返回0,不成功返回-1

第一个参数是epoll_create()的返回值，
第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

• EPOLL_CTL_ADD： 注册新的fd到epfd中；
• EPOLL_CTL_MOD： 修改已经注册的fd的监听事件；
• EPOLL_CTL_DEL： 从epfd中删除一个fd；
  第三个参数是需要监听的fd，
  第四个参数是告诉内核需要监听什么事件，structepoll_event结构如下：

typedef union epoll_data {
void *ptr; //指向要附加的数据结构
int fd;     //一般设为监视的fd
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
/* Epoll events
events可以是以下几个宏的集合：
         EPOLLIN：            触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；
         EPOLLOUT：         触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；
        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）；
        EPOLLERR：        表示对应的文件描述符发生错误；
         EPOLLHUP：        表示对应的文件描述符被挂断；
        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。
        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。
 */
__uint32_t events; 
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

如要监听服务端套接字的连接，listenfd对对应的socket套接字，之前已经bind和listen好。将它加入到epfd指定的epoll对象中

struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

3.等待事件触发，当超过timeout还没有事件触发时，就超时。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, intmaxevents, int timeout);
函数声明:int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout)
该函数用于轮询I/O事件的发生；参数：
epfd:由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符；
epoll_event:用于回传代处理事件的数组，已经分配好内存；
maxevents:每次能处理的最大事件数；
timeout:等待I/O事件发生的超时值(单位我也不太清楚)；-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可
返回发生事件数。

二、epoll的原理

本节会以示例和图表来讲解epoll的原理和流程。

1.创建epoll对象

如下图所示，当某个进程调用epoll_create方法时，内核会创建一个eventpoll对象（也就是程序中epfd所代表的对象）。eventpoll对象也是文件系统中的一员，和socket一样，它也会有等待队列。

内核创建eventpoll对象

创建一个代表该epoll的eventpoll对象是必须的，因为内核要维护“就绪列表”等数据，“就绪列表”可以作为eventpoll的成员。

2.维护监视列表

创建epoll对象后，可以用epoll_ctl添加或删除所要监听的socket。以添加socket为例，如下图，如果通过epoll_ctl添加sock1、sock2和sock3的监视，内核会将eventpoll添加到这三个socket的等待队列中。

添加所要监听的socket

当socket收到数据后，中断程序会操作eventpoll对象，而不是直接操作进程。

3.接收数据

当socket收到数据后，中断程序会给eventpoll的“就绪列表”添加socket引用。如下图展示的是sock2和sock3收到数据后，中断程序让rdlist引用这两个socket。

给就绪列表添加引用

eventpoll对象相当于是socket和进程之间的中介，socket的数据接收并不直接影响进程，而是通过改变eventpoll的就绪列表来改变进程状态。

当程序执行到epoll_wait时，如果rdlist已经引用了socket，那么epoll_wait直接返回，如果rdlist为空，阻塞进程。

4.阻塞和唤醒进程

假设计算机中正在运行进程A和进程B，在某时刻进程A运行到了epoll_wait语句。如下图所示，内核会将进程A放入eventpoll的等待队列中，阻塞进程。

epoll_wait阻塞进程

当socket接收到数据，中断程序一方面修改rdlist，另一方面唤醒eventpoll等待队列中的进程，进程A再次进入运行状态（如下图）。也因为rdlist的存在，进程A可以知道哪些socket发生了变化。

epoll唤醒进程

三、epoll的实现细节

读完这篇文章，还有三个问题需要细究一下。

1. eventpoll的数据结构是什么样子？
2. 就绪队列应该应使用什么数据结构？
3. eventpoll应使用什么数据结构来管理通过epoll_ctl添加或删除的socket？

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如下图所示，eventpoll包含了lock、mtx、wq（等待队列）、rdlist等成员。rdlist和rbr是我们所关心的。

epoll原理示意图

1. 就绪列表的数据结构

• 就绪列表引用着就绪的socket，所以它应能够快速的插入数据。
• 程序可能随时调用epoll_ctl添加监视socket，也可能随时删除。当删除时，若该socket已经存放在就绪列表中，它也应该被移除。

所以就绪列表应是一种能够快速插入和删除的数据结构。双向链表就是这样一种数据结构，epoll使用双向链表来实现就绪队列（对应上图的rdllist）。

2.索引结构

既然epoll将“维护监视队列”和“进程阻塞”分离，也意味着需要有个数据结构来保存监视的socket。至少要方便的添加和移除，还要便于搜索，以避免重复添加。红黑树是一种自平衡二叉查找树，搜索、插入和删除时间复杂度都是O(log(N))，效率较好。epoll使用了红黑树作为索引结构（对应上图的rbr），存储所监视的socket fd。