這是我看過的最通俗易懂的關於epoll的講解:
一、爲什麼epoll這麼快：
epoll是多路複用IO(I/O Multiplexing)中的一種方式,但是僅用於linux2.6以上內核,在開始討論這個問題之前,先來解釋一下爲什麼需要多路複用IO.
以一個生活中的例子來解釋.
假設你在大學中讀書,要等待一個朋友來訪,而這個朋友只知道你在A號樓,但是不知道你具體住在哪裏,於是你們約好了在A號樓門口見面.
如果你使用的阻塞IO模型來處理這個問題,那麼你就只能一直守候在A號樓門口等待朋友的到來,在這段時間裏你不能做別的事情,不難知道,這種方式的效率是低下的.
現在時代變化了,開始使用多路複用IO模型來處理這個問題.你告訴你的朋友來了A號樓找樓管大媽,讓她告訴你該怎麼走.這裏的樓管大媽扮演的就是多路複用IO的角色.
進一步解釋select和epoll模型的差異.
select版大媽做的是如下的事情:比如同學甲的朋友來了,select版大媽比較笨,她帶着朋友挨個房間進行查詢誰是同學甲,你等的朋友來了,於是在實際的代碼中,select版大媽做的是以下的事情:
- int n = select(&readset,NULL,NULL,100);
- for (int i = 0; n > 0; ++i)
- {
- if (FD_ISSET(fdarray[i], &readset))
- {
- do_something(fdarray[i]);
- --n;
- }
- }
- n = epoll_wait(epfd,events,20,500);
- for(i=0;i<n;++i)
- {
- do_something(events[n]);
- }
在epoll中,關鍵的數據結構epoll_event定義如下:
- 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 */
- };
可以看到,epoll_data是一個union結構體,它就是epoll版大媽用於保存同學信息的結構體,它可以保存很多類型的信息:fd,指針,等等.有了這個結構體,epoll大媽可以不用吹灰之力就可以定位到同學甲.
別小看了這些效率的提高,在一個大規模併發的服務器中,輪詢IO是最耗時間的操作之一.再回到那個例子中,如果每到來一個朋友樓管大媽都要全樓的查詢同學,那麼處理的效率必然就低下了,過不久樓底就有不少的人了.
對比最早給出的阻塞IO的處理模型, 可以看到採用了多路複用IO之後, 程序可以自由的進行自己除了IO操作之外的工作, 只有到IO狀態發生變化的時候由多路複用IO進行通知, 然後再採取相應的操作, 而不用一直阻塞等待IO狀態發生變化了.
從上面的分析也可以看出,epoll比select的提高實際上是一個用空間換時間思想的具體應用.
二、深入理解epoll的實現原理：
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。大家都明白epoll是一種IO多路複用技術，可以非常高效的處理數以百萬計的socket句柄，比起以前的select和poll效率高大發了。我們用起epoll來都感覺挺爽，確實快，那麼，它到底爲什麼可以高速處理這麼多併發連接呢？
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建立一個epoll對象。參數size是內核保證能夠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可以操作上面建立的epoll，例如，將剛建立的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，不再監控它等等。
epoll_wait在調用時，在給定的timeout時間內，當在監控的所有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可以看到epoll比select/poll的優越之處：因爲後者每次調用時都要傳遞你所要監控的所有socket給select/poll系統調用，這意味着需要將用戶態的socket列表copy到內核態，如果以萬計的句柄會導致每次都要copy幾十幾百KB的內存到內核態，非常低效。而我們調用epoll_wait時就相當於以往調用select/poll，但是這時卻不用傳遞socket句柄給內核，因爲內核已經在epoll_ctl中拿到了要監控的句柄列表。
所以，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。所以，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文件系統裏創建一個file結點。當然這個file不是普通文件，它只服務於epoll。
epoll在被內核初始化時（操作系統啓動），同時會開闢出epoll自己的內核高速cache區，用於安置每一個我們想監控的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，就是建立連續的物理內存頁，然後在之上建立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，當我們調用epoll_ctl往裏塞入百萬個句柄時，epoll_wait仍然可以飛快的返回，並有效的將發生事件的句柄給我們用戶。這是由於我們在調用epoll_create時，內核除了幫我們在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以後epoll_ctl傳來的socket外，還會再建立一個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鏈表裏有沒有數據即可。有數據就返回，沒有數據就sleep，等到timeout時間到後即使鏈表沒數據也返回。所以，epoll_wait非常高效。
而且，通常情況下即使我們要監控百萬計的句柄，大多一次也只返回很少量的準備就緒句柄而已，所以，epoll_wait僅需要從內核態copy少量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？當我們執行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之外，還會給內核中斷處理程序註冊一個回調函數，告訴內核，如果這個句柄的中斷到了，就把它放到準備就緒list鏈表裏。所以，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，少量的內核cache，就幫我們解決了大併發下的socket處理問題。執行epoll_create時，創建了紅黑樹和就緒鏈表，執行epoll_ctl時，如果增加socket句柄，則檢查在紅黑樹中是否存在，存在立即返回，不存在則添加到樹幹上，然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時立刻返回準備就緒鏈表裏的數據即可。
最後看看epoll獨有的兩種模式LT和ET。無論是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，會在以後調用epoll_wait時次次返回這個句柄，而ET模式僅在第一次返回。
這件事怎麼做到的呢？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，這時我們調用epoll_wait，會把準備就緒的socket拷貝到用戶態內存，然後清空準備就緒list鏈表，最後，epoll_wait幹了件事，就是檢查這些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），並且這些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。所以，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，即使socket上的事件沒有處理完，也是不會次次從epoll_wait返回的。
三、擴展閱讀（epoll與之前其他相關技術的比較）：
Linux提供了select、poll、epoll接口來實現IO複用，三者的原型如下所示，本文從參數、實現、性能等方面對三者進行對比。
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
select、poll、epoll_wait參數及實現對比
1． select的第一個參數nfds爲fdset集合中最大描述符值加1，fdset是一個位數組，其大小限制爲__FD_SETSIZE（1024），位數組的每一位代表其對應的描述符是否需要被檢查。
select的第二三四個參數表示需要關注讀、寫、錯誤事件的文件描述符位數組，這些參數既是輸入參數也是輸出參數，可能會被內核修改用於標示哪些描述符上發生了關注的事件。所以每次調用select前都需要重新初始化fdset。
timeout參數爲超時時間，該結構會被內核修改，其值爲超時剩餘的時間。
select對應於內核中的sys_select調用，sys_select首先將第二三四個參數指向的fd_set拷貝到內核，然後對每個被SET的描述符調用進行poll，並記錄在臨時結果中（fdset），如果有事件發生，select會將臨時結果寫到用戶空間並返回；當輪詢一遍後沒有任何事件發生時，如果指定了超時時間，則select會睡眠到超時，睡眠結束後再進行一次輪詢，並將臨時結果寫到用戶空間，然後返回。
select返回後，需要逐一檢查關注的描述符是否被SET（事件是否發生）。
2． poll與select不同，通過一個pollfd數組向內核傳遞需要關注的事件，故沒有描述符個數的限制，pollfd中的events字段和revents分別用於標示關注的事件和發生的事件，故pollfd數組只需要被初始化一次。
poll的實現機制與select類似，其對應內核中的sys_poll，只不過poll向內核傳遞pollfd數組，然後對pollfd中的每個描述符進行poll，相比處理fdset來說，poll效率更高。
poll返回後，需要對pollfd中的每個元素檢查其revents值，來得指事件是否發生。
3． epoll通過epoll_create創建一個用於epoll輪詢的描述符，通過epoll_ctl添加/修改/刪除事件，通過epoll_wait檢查事件，epoll_wait的第二個參數用於存放結果。
epoll與select、poll不同，首先，其不用每次調用都向內核拷貝事件描述信息，在第一次調用後，事件信息就會與對應的epoll描述符關聯起來。另外epoll不是通過輪詢，而是通過在等待的描述符上註冊回調函數，當事件發生時，回調函數負責把發生的事件存儲在就緒事件鏈表中，最後寫到用戶空間。
epoll返回後，該參數指向的緩衝區中即爲發生的事件，對緩衝區中每個元素進行處理即可，而不需要像poll、select那樣進行輪詢檢查。