IO多路複用--epoll詳解

epoll 或者 kqueue 的原理是什麼？ 【轉自知乎】

 

Epoll 引入簡介

首先咱們來定義流的概念，一個流能夠是文件，socket，pipe等等能夠進行I/O操做的內核對象。

無論是文件，仍是套接字，仍是管道，咱們均可以把他們看做流。
以後咱們來討論I/O的操做，經過read，咱們能夠從流中讀入數據；經過write，咱們能夠往流寫入數據。如今假定一個情形，咱們須要從流中讀數據， 可是流中尚未數據，（典型的例子爲，客戶端要從socket讀如數據，可是服務器尚未把數據傳回來），這時候該怎麼辦？

• 阻塞。阻塞是個什麼概念呢？好比某個時候你在等快遞，可是你不知道快遞何時過來，並且你沒有別的事能夠幹（或者說接下來的事要等快遞來了才能作）；那麼你能夠去睡覺了，由於你知道快遞把貨送來時必定會給你打個電話（假定必定能叫醒你）。
• 非阻塞忙輪詢。接着上面等快遞的例子，若是用忙輪詢的方法，那麼你須要知道快遞員的手機號，而後每分鐘給他掛個電話：「你到了沒？」

很明顯通常人不會用第二種作法，不只顯很無腦，浪費話費不說，還佔用了快遞員大量的時間。
大部分程序也不會用第二種作法，由於第一種方法經濟而簡單，經濟是指消耗不多的CPU時間，若是線程睡眠了，就掉出了系統的調度隊列，暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。

爲了瞭解阻塞是如何進行的，咱們來討論 緩衝區，以及內核緩衝區，最終把I/O事件解釋清楚。緩衝區的引入是爲了減小頻繁I/O操做而引發頻繁的系統調用（你知道它很慢的），當你操做一個流時，更多的是以緩衝區爲單位進行操做，這是相對於用戶空間而言。對於內核來講，也須要緩衝區。
假設有一個管道，進程A爲管道的寫入方，Ｂ爲管道的讀出方。

1. 假設一開始內核緩衝區是空的，B做爲讀出方，被阻塞着。而後首先A往管道寫入，這時候內核緩衝區由空的狀態變到非空狀態，內核就會產生一個事件告訴Ｂ該醒來了，這個事件姑且稱之爲「緩衝區非空」。
2. 可是「緩衝區非空」事件通知B後，B卻尚未讀出數據；且內核許諾了不能把寫入管道中的數據丟掉這個時候，Ａ寫入的數據會滯留在內核緩衝區中，若是內核也緩衝區滿了，B仍未開始讀數據，最終內核緩衝區會被填滿，這個時候會產生一個I/O事件，告訴進程A，你該等等（阻塞）了，咱們把這個事件定義爲「緩衝區滿」。
3. 假設後來Ｂ終於開始讀數據了，因而內核的緩衝區空了出來，這時候內核會告訴A，內核緩衝區有空位了，你能夠從長眠中醒來了，繼續寫數據了，咱們把這個事件叫作「緩衝區非滿」
4. 也許事件Y1已經通知了A，可是A也沒有數據寫入了，而Ｂ繼續讀出數據，知道內核緩衝區空了。這個時候內核就告訴B，你須要阻塞了！，咱們把這個時間定爲「緩衝區空」。

這四個情形涵蓋了四個I/O事件，緩衝區滿，緩衝區空，緩衝區非空，緩衝區非滿（注都是說的內核緩衝區，且這四個術語都是我生造的，僅爲解釋其原理而造）。這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。（若是不能理解「同步」是什麼概念，請學習操做系統的鎖，信號量，條件變量等任務同步方面的相關知識）。

而後咱們來講說阻塞I/O的缺點。可是阻塞I/O模式下，一個線程只能處理一個流的I/O事件。若是想要同時處理多個流，要麼多進程(fork)，要麼多線程(pthread_create)，很不幸這兩種方法效率都不高。
因而再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式，咱們發現咱們能夠同時處理多個流了（把一個流從阻塞模式切換到非阻塞模式再此不予討論）：

while true {
    for i in stream[]; {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}            

咱們只要不停的把全部流從頭至尾問一遍，又從頭開始。這樣就能夠處理多個流了，但這樣的作法顯然很差，由於若是全部的流都沒有數據，那麼只會白白浪費CPU。這裏要補充一點，阻塞模式下，內核對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒，而非阻塞模式下則把I/O事件交給其餘對象（後文介紹的select以及epoll）處理甚至直接忽略。

爲了不CPU空轉，能夠引進了一個代理（一開始有一位叫作select的代理，後來又有一位叫作poll的代理，不過二者的本質是同樣的）。這個代理比較厲害，能夠同時觀察許多流的I/O事件，在空閒的時候， 會把當前線程阻塞掉，當有一個或多個流有I/O事件時，就從阻塞態中醒來，因而咱們的程序就會輪詢一遍全部的流（因而咱們能夠把「忙」字去掉了）。代碼長這樣:

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

因而，若是沒有I/O事件產生，咱們的程序就會阻塞在select處。可是依然有個問題，咱們從select那裏僅僅知道了，有I/O事件發生了，但卻並不知道是那幾個流（可能有一個，多個，甚至所有），咱們只能無差異輪詢全部流，找出能讀出數據，或者寫入數據的流，對他們進行操做。

可是使用select，咱們有O(n)的無差異輪詢複雜度，同時處理的流越多，每一次無差異輪詢時間就越長。再次
說了這麼多，終於能好好解釋epoll了
epoll能夠理解爲event poll，不一樣於忙輪詢和無差異輪詢，epoll之會把哪一個流發生了怎樣的I/O事件通知咱們。此時咱們對這些流的操做都是有意義的。（複雜度下降到了O(k)，k爲產生I/O事件的流的個數，也有認爲O(1)的[更新 1]）
在討論epoll的實現細節以前，先把epoll的相關操做列出[更新 2]：

• epoll_create 建立一個epoll對象，通常epollfd = epoll_create()
• epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合體），往epoll對象中增長/刪除某一個流的某一個事件
  好比
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有緩衝區內有數據時epoll_wait返回
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//緩衝區可寫入時epoll_wait返回
• epoll_wait(epollfd,...)等待直到註冊的事件發生

（注：當對一個非阻塞流的讀寫發生緩衝區滿或緩衝區空，write/read會返回-1，並設置errno=EAGAIN。而epoll只關心緩衝區非滿和緩衝區非空事件）。
一個epoll模式的代碼大概的樣子是：

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till unavailable
    }
}        

限於篇幅，我只說這麼多，以揭示原理性的東西，至於epoll的使用細節，請參考man和google

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第一部分：select和epoll的任務

關鍵詞：應用程序 文件句柄 用戶態 內核態 監控者

要比較epoll相比較select高效在什麼地方，就須要比較兩者作相同事情的方法。

要完成對I/O流的複用須要完成以下幾個事情：

1.用戶態怎麼將文件句柄傳遞到內核態？

2.內核態怎麼判斷I/O流可讀可寫？

3.內核怎麼通知監控者有I/O流可讀可寫？

4.監控者如何找到可讀可寫的I/O流並傳遞給用戶態應用程序？

5.繼續循環時監控者怎樣重複上述步驟？

搞清楚上述的步驟也就能解開epoll高效的緣由了。

select的作法：

步驟1的解法：select建立3個文件描述符集，並將這些文件描述符拷貝到內核中，這裏限制了文件句柄的最大的數量爲1024（注意是所有傳入---第一次拷貝）；

步驟2的解法：內核針對讀緩衝區和寫緩衝區來判斷是否可讀可寫,這個動做和select無關；

步驟3的解法：內核在檢測到文件句柄可讀/可寫時就產生中斷通知監控者select，select被內核觸發以後，就返回可讀可寫的文件句柄的總數；

步驟4的解法：select會將以前傳遞給內核的文件句柄再次從內核傳到用戶態（第2次拷貝），select返回給用戶態的只是可讀可寫的文件句柄總數，再使用FD_ISSET宏函數來檢測哪些文件I/O可讀可寫（遍歷）；

步驟5的解法：select對於事件的監控是創建在內核的修改之上的，也就是說通過一次監控以後，內核會修改位，所以再次監控時須要再次從用戶態向內核態進行拷貝（第N次拷貝）

epoll的作法：

步驟1的解法：首先執行epoll_create在內核專屬於epoll的高速cache區，並在該緩衝區創建紅黑樹和就緒鏈表，用戶態傳入的文件句柄將被放到紅黑樹中（第一次拷貝）。

步驟2的解法：內核針對讀緩衝區和寫緩衝區來判斷是否可讀可寫，這個動做與epoll無關；

步驟3的解法：epoll_ctl執行add動做時除了將文件句柄放到紅黑樹上以外，還向內核註冊了該文件句柄的回調函數，內核在檢測到某句柄可讀可寫時則調用該回調函數，回調函數將文件句柄放到就緒鏈表。

步驟4的解法：epoll_wait只監控就緒鏈表就能夠，若是就緒鏈表有文件句柄，則表示該文件句柄可讀可寫，並返回到用戶態（少許的拷貝）；

步驟5的解法：因爲內核不修改文件句柄的位，所以只須要在第一次傳入就能夠重複監控，直到使用epoll_ctl刪除，不然不須要從新傳入，所以無屢次拷貝。

簡單說：epoll是繼承了select/poll的I/O複用的思想，並在兩者的基礎上從監控IO流、查找I/O事件等角度來提升效率，具體地說就是內核句柄列表、紅黑樹、就緒list鏈表來實現的。

第二部分：epoll詳解

先簡單回顧下如何使用C庫封裝的3個epoll系統調用吧。

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

使用起來很清晰：

A.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。

B.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(也就是將I/O流放到內核)。

C.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（也就是在內核層面捕獲可讀寫的I/O事件）。

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。

====>select監控的句柄列表在用戶態，每次調用都須要從用戶態將句柄列表拷貝到內核態，可是epoll中句柄就是創建在內核中的，這樣就減小了內核和用戶態的拷貝，高效的緣由之一。

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。

epoll高效的緣由：

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.

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。

epoll綜合的執行過程：

如此，一棵紅黑樹，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。

epoll水平觸發和邊緣觸發的實現：

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。

====>區別就在於epoll_wait將socket返回到用戶態時是否狀況就緒鏈表。

第三部分：epoll高效的本質

1.減小用戶態和內核態之間的文件句柄拷貝；

2.減小對可讀可寫文件句柄的遍歷；