epoll詳細工做原理

開發高性能網絡程序時，windows開發者們言必稱iocp，linux開發者們則言必稱epoll。你們都明白epoll是一種IO多路複用技術，能夠很是高效的處理數以百萬計的socket句柄，比起之前的select和poll效率高大發了。咱們用起epoll來都感受挺爽，確實快，那麼，它到底爲何能夠高速處理這麼多併發鏈接呢？

先簡單回顧下如何使用C庫封裝的3個epoll系統調用吧。

 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，首先要調用epoll_create創建一個epoll對象。參數size是內核保證可以正確處理的最大句柄數，多於這個最大數時內核可不保證效果。

epoll_ctl能夠操做上面創建的epoll，例如，將剛創建的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，再也不監控它等等。

epoll_wait在調用時，在給定的timeout時間內，當在監控的全部句柄中有事件發生時，就返回用戶態的進程。

從上面的調用方式就能夠看到epoll比select/poll的優越之處：由於後者每次調用時都要傳遞你所要監控的全部socket給select/poll系統調用，這意味着須要將用戶態的socket列表copy到內核態，若是以萬計的句柄會致使每次都要copy幾十幾百KB的內存到內核態，很是低效。而咱們調用epoll_wait時就至關於以往調用select/poll，可是這時卻不用傳遞socket句柄給內核，由於內核已經在epoll_ctl中拿到了要監控的句柄列表。

因此，實際上在你調用epoll_create後，內核就已經在內核態開始準備幫你存儲要監控的句柄了，每次調用epoll_ctl只是在往內核的數據結構裏塞入新的socket句柄。

在內核裏，一切皆文件。因此，epoll向內核註冊了一個文件系統，用於存儲上述的被監控socket。當你調用epoll_create時，就會在這個虛擬的epoll文件系統裏建立一個file結點。固然這個file不是普通文件，它只服務於epoll。

epoll在被內核初始化時（操做系統啓動），同時會開闢出epoll本身的內核高速cache區，用於安置每個咱們想監控的socket，這些socket會以紅黑樹的形式保存在內核cache裏，以支持快速的查找、插入、刪除。這個內核高速cache區，就是創建連續的物理內存頁，而後在之上創建slab層，簡單的說，就是物理上分配好你想要的size的內存對象，每次使用時都是使用空閒的已分配好的對象。

 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的高效就在於，當咱們調用epoll_ctl往裏塞入百萬個句柄時，epoll_wait仍然能夠飛快的返回，並有效的將發生事件的句柄給咱們用戶。這是因爲咱們在調用epoll_create時，內核除了幫咱們在epoll文件系統裏建了個file結點，在內核cache裏建了個紅黑樹用於存儲之後epoll_ctl傳來的socket外，還會再創建一個list鏈表，用於存儲準備就緒的事件，當epoll_wait調用時，僅僅觀察這個list鏈表裏有沒有數據便可。有數據就返回，沒有數據就sleep，等到timeout時間到後即便鏈表沒數據也返回。因此，epoll_wait很是高效。

並且，一般狀況下即便咱們要監控百萬計的句柄，大多一次也只返回不多量的準備就緒句柄而已，因此，epoll_wait僅須要從內核態copy少許的句柄到用戶態而已，如何能不高效？！

那麼，這個準備就緒list鏈表是怎麼維護的呢？當咱們執行epoll_ctl時，除了把socket放到epoll文件系統裏file對象對應的紅黑樹上以外，還會給內核中斷處理程序註冊一個回調函數，告訴內核，若是這個句柄的中斷到了，就把它放到準備就緒list鏈表裏。因此，當一個socket上有數據到了，內核在把網卡上的數據copy到內核中後就來把socket插入到準備就緒鏈表裏了。

如此，一顆紅黑樹，一張準備就緒句柄鏈表，少許的內核cache，就幫咱們解決了大併發下的socket處理問題。執行epoll_create時，建立了紅黑樹和就緒鏈表，執行epoll_ctl時，若是增長socket句柄，則檢查在紅黑樹中是否存在，存在當即返回，不存在則添加到樹幹上，而後向內核註冊回調函數，用於當中斷事件來臨時向準備就緒鏈表中插入數據。執行epoll_wait時馬上返回準備就緒鏈表裏的數據便可。

最後看看epoll獨有的兩種模式LT和ET。不管是LT和ET模式，都適用於以上所說的流程。區別是，LT模式下，只要一個句柄上的事件一次沒有處理完，會在之後調用epoll_wait時次次返回這個句柄，而ET模式僅在第一次返回。

這件事怎麼作到的呢？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，這時咱們調用epoll_wait，會把準備就緒的socket拷貝到用戶態內存，而後清空準備就緒list鏈表，最後，epoll_wait幹了件事，就是檢查這些socket，若是不是ET模式（就是LT模式的句柄了），而且這些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。因此，非ET的句柄，只要它上面還有事件，epoll_wait每次都會返回。而ET模式的句柄，除非有新中斷到，即便socket上的事件沒有處理完，也是不會次次從epoll_wait返回的。