要讓讀者清晰明白EPOLL爲什麼性能好。
本文會從網卡接收數據的流程講起，串聯起CPU中斷、操作系統進程調度等知識；再一步步分析阻塞接收數據、select到epoll的進化過程；最後探究epoll的實現細節。目錄：
一、從網卡接收數據說起
二、如何知道接收了數據？
三、進程阻塞爲什麼不佔用cpu資源？
四、內核接收網絡數據全過程
五、同時監視多個socket的簡單方法
六、epoll的設計思路
七、epoll的原理和流程
八、epoll的實現細節
九、結論
一、從網卡接收數據說起
下圖是一個典型的計算機結構圖，計算機由CPU、存儲器（內存）、網絡接口等部件組成。瞭解epoll本質的第一步，要從硬件的角度看計算機怎樣接收網絡數據。
計算機結構圖（圖片來源：linux內核完全註釋之微型計算機組成結構）
下圖展示了網卡接收數據的過程。在①階段，網卡收到網線傳來的數據；經過②階段的硬件電路的傳輸；最終將數據寫入到內存中的某個地址上（③階段）。這個過程涉及到DMA傳輸、IO通路選擇等硬件有關的知識，但我們只需知道：網卡會把接收到的數據寫入內存。
網卡接收數據的過程
通過硬件傳輸，網卡接收的數據存放到內存中。操作系統就可以去讀取它們。
二、如何知道接收了數據？
瞭解epoll本質的第二步，要從CPU的角度來看數據接收。要理解這個問題，要先了解一個概念——中斷。
計算機執行程序時，會有優先級的需求。比如，當計算機收到斷電信號時（電容可以保存少許電量，供CPU運行很短的一小段時間），它應立即去保存數據，保存數據的程序具有較高的優先級。
一般而言，由硬件產生的信號需要cpu立馬做出迴應（不然數據可能就丟失），所以它的優先級很高。cpu理應中斷掉正在執行的程序，去做出響應；當cpu完成對硬件的響應後，再重新執行用戶程序。中斷的過程如下圖，和函數調用差不多。只不過函數調用是事先定好位置，而中斷的位置由“信號”決定。
中斷程序調用
以鍵盤爲例，當用戶按下鍵盤某個按鍵時，鍵盤會給cpu的中斷引腳發出一個高電平。cpu能夠捕獲這個信號，然後執行鍵盤中斷程序。下圖展示了各種硬件通過中斷與cpu交互。
cpu中斷（圖片來源：net.pku.edu.cn）
現在可以回答本節提出的問題了：當網卡把數據寫入到內存後，網卡向cpu發出一箇中斷信號，操作系統便能得知有新數據到來，再通過網卡中斷程序去處理數據。
三、進程阻塞爲什麼不佔用cpu資源？
瞭解epoll本質的第三步，要從操作系統進程調度的角度來看數據接收。阻塞是進程調度的關鍵一環，指的是進程在等待某事件（如接收到網絡數據）發生之前的等待狀態，recv、select和epoll都是阻塞方法。瞭解“進程阻塞爲什麼不佔用cpu資源？”，也就能夠了解這一步。
爲簡單起見，我們從普通的recv接收開始分析，先看看下面代碼：
//創建socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//綁定
bind(s, ...)
//監聽
listen(s, ...)
//接受客戶端連接
int c = accept(s, ...)
//接收客戶端數據
recv(c, ...);
//將數據打印出來
printf(...)
這是一段最基礎的網絡編程代碼，先新建socket對象，依次調用bind、listen、accept，最後調用recv接收數據。recv是個阻塞方法，當程序運行到recv時，它會一直等待，直到接收到數據才往下執行。
插入：如果您還不太熟悉網絡編程，歡迎閱讀我編寫的《Unity3D網絡遊戲實戰(第2版)》，會有詳細的介紹。
那麼阻塞的原理是什麼？
工作隊列
操作系統爲了支持多任務，實現了進程調度的功能，會把進程分爲“運行”和“等待”等幾種狀態。運行狀態是進程獲得cpu使用權，正在執行代碼的狀態；等待狀態是阻塞狀態，比如上述程序運行到recv時，程序會從運行狀態變爲等待狀態，接收到數據後又變回運行狀態。操作系統會分時執行各個運行狀態的進程，由於速度很快，看上去就像是同時執行多個任務。
下圖中的計算機中運行着A、B、C三個進程，其中進程A執行着上述基礎網絡程序，一開始，這3個進程都被操作系統的工作隊列所引用，處於運行狀態，會分時執行。
工作隊列中有A、B和C三個進程
等待隊列
當進程A執行到創建socket的語句時，操作系統會創建一個由文件系統管理的socket對象（如下圖）。這個socket對象包含了發送緩衝區、接收緩衝區、等待隊列等成員。等待隊列是個非常重要的結構，它指向所有需要等待該socket事件的進程。
創建socket
當程序執行到recv時，操作系統會將進程A從工作隊列移動到該socket的等待隊列中（如下圖）。由於工作隊列只剩下了進程B和C，依據進程調度，cpu會輪流執行這兩個進程的程序，不會執行進程A的程序。所以進程A被阻塞，不會往下執行代碼，也不會佔用cpu資源。
socket的等待隊列
ps：操作系統添加等待隊列只是添加了對這個“等待中”進程的引用，以便在接收到數據時獲取進程對象、將其喚醒，而非直接將進程管理納入自己之下。上圖爲了方便說明，直接將進程掛到等待隊列之下。
喚醒進程
當socket接收到數據後，操作系統將該socket等待隊列上的進程重新放回到工作隊列，該進程變成運行狀態，繼續執行代碼。也由於socket的接收緩衝區已經有了數據，recv可以返回接收到的數據。