從事服務端開發，少不了要接觸網絡編程。epoll作爲linux下高性能網絡服務器的必備技術至關重要，nginx、redis、skynet和大部分遊戲服務器都使用到這一多路複用技術。
文/羅培羽
因爲epoll的重要性，不少遊戲公司（如某某九九）在招聘服務端同學時，可能會問及epoll相關的問題。比如epoll和select的區別是什麼？epoll高效率的原因是什麼？如果只靠背誦，顯然不能算上深刻的理解。
網上雖然也有不少講解epoll的文章，但要不是過於淺顯，就是陷入源碼解析，很少能有通俗易懂的。於是決定編寫此文，讓缺乏專業背景知識的讀者也能夠明白epoll的原理。文章核心思想是：
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。
四、內核接收網絡數據全過程
這一步，貫穿網卡、中斷、進程調度的知識，敘述阻塞recv下，內核接收數據全過程。
如下圖所示，進程在recv阻塞期間，計算機收到了對端傳送的數據（步驟①）。數據經由網卡傳送到內存（步驟②），然後網卡通過中斷信號通知cpu有數據到達，cpu執行中斷程序（步驟③）。此處的中斷程序主要有兩項功能，先將網絡數據寫入到對應socket的接收緩衝區裏面（步驟④），再喚醒進程A（步驟⑤），重新將進程A放入工作隊列中。
內核接收數據全過程
喚醒進程的過程如下圖所示。
喚醒進程
以上是內核接收數據全過程
這裏留有兩個思考題，大家先想一想。
其一，操作系統如何知道網絡數據對應於哪個socket？
其二，如何同時監視多個socket的數據？
（——我是分割線，想好了才能往下看哦~）
公佈答案的時刻到了。
第一個問題：因爲一個socket對應着一個端口號，而網絡數據包中包含了ip和端口的信息，內核可以通過端口號找到對應的socket。當然，爲了提高處理速度，操作系統會維護端口號到socket的索引結構，以快速讀取。
第二個問題是多路複用的重中之重，是本文後半部分的重點！
五、同時監視多個socket的簡單方法
服務端需要管理多個客戶端連接，而recv只能監視單個socket，這種矛盾下，人們開始尋找監視多個socket的方法。epoll的要義是高效的監視多個socket。從歷史發展角度看，必然先出現一種不太高效的方法，人們再加以改進。只有先理解了不太高效的方法，才能夠理解epoll的本質。
假如能夠預先傳入一個socket列表，如果列表中的socket都沒有數據，掛起進程，直到有一個socket收到數據，喚醒進程。這種方法很直接，也是select的設計思想。
爲方便理解，我們先複習select的用法。在如下的代碼中，先準備一個數組（下面代碼中的fds），讓fds存放着所有需要監視的socket。然後調用select，如果fds中的所有socket都沒有數據，select會阻塞，直到有一個socket接收到數據，select返回，喚醒進程。用戶可以遍歷fds，通過FD_ISSET判斷具體哪個socket收到數據，然後做出處理。
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)
int fds[] = 存放需要監聽的socket
while(1){
int n = select(..., fds, ...)
for(int i=0; i < fds.count; i++){
if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
//fds[i]的數據處理
}
}
}
select的流程
select的實現思路很直接。假如程序同時監視如下圖的sock1、sock2和sock3三個socket，那麼在調用select之後，操作系統把進程A分別加入這三個socket的等待隊列中。
操作系統把進程A分別加入這三個socket的等待隊列中
當任何一個socket收到數據後，中斷程序將喚起進程。下圖展示了sock2接收到了數據的處理流程。
ps：recv和select的中斷回調可以設置成不同的內容。
sock2接收到了數據，中斷程序喚起進程A
所謂喚起進程，就是將進程從所有的等待隊列中移除，加入到工作隊列裏面。如下圖所示。
將進程A從所有等待隊列中移除，再加入到工作隊列裏面
經由這些步驟，當進程A被喚醒後，它知道至少有一個socket接收了數據。程序只需遍歷一遍socket列表，就可以得到就緒的socket。
這種簡單方式行之有效，在幾乎所有操作系統都有對應的實現。
但是簡單的方法往往有缺點，主要是：
其一，每次調用select都需要將進程加入到所有監視socket的等待隊列，每次喚醒都需要從每個隊列中移除。這裏涉及了兩次遍歷，而且每次都要將整個fds列表傳遞給內核，有一定的開銷。正是因爲遍歷操作開銷大，出於效率的考量，纔會規定select的最大監視數量，默認只能監視1024個socket。
其二，進程被喚醒後，程序並不知道哪些socket收到數據，還需要遍歷一次。
那麼，有沒有減少遍歷的方法？有沒有保存就緒socket的方法？這兩個問題便是epoll技術要解決的。
補充說明： 本節只解釋了select的一種情形。當程序調用select時，內核會先遍歷一遍socket，如果有一個以上的socket接收緩衝區有數據，那麼select直接返回，不會阻塞。這也是爲什麼select的返回值有可能大於1的原因之一。如果沒有socket有數據，進程纔會阻塞。
六、epoll的設計思路
epoll是在select出現N多年後才被髮明的，是select和poll的增強版本。epoll通過以下一些措施來改進效率。
措施一：功能分離
select低效的原因之一是將“維護等待隊列”和“阻塞進程”兩個步驟合二爲一。如下圖所示，每次調用select都需要這兩步操作，然而大多數應用場景中，需要監視的socket相對固定，並不需要每次都修改。epoll將這兩個操作分開，先用epoll_ctl維護等待隊列，再調用epoll_wait阻塞進程。顯而易見的，效率就能得到提升。
相比select，epoll拆分了功能
爲方便理解後續的內容，我們先複習下epoll的用法。如下的代碼中，先用epoll_create創建一個epoll對象epfd，再通過epoll_ctl將需要監視的socket添加到epfd中，最後調用epoll_wait等待數據。
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...)
listen(s, ...)
int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //將所有需要監聽的socket添加到epfd中
while(1){
int n = epoll_wait(...)
for(接收到數據的socket){
//處理
}
}
功能分離，使得epoll有了優化的可能。
措施二：就緒列表
select低效的另一個原因在於程序不知道哪些socket收到數據，只能一個個遍歷。如果內核維護一個“就緒列表”，引用收到數據的socket，就能避免遍歷。如下圖所示，計算機共有三個socket，收到數據的sock2和sock3被rdlist（就緒列表）所引用。當進程被喚醒後，只要獲取rdlist的內容，就能夠知道哪些socket收到數據。
就緒列表示意圖
七、epoll的原理和流程
本節會以示例和圖表來講解epoll的原理和流程。
創建epoll對象
如下圖所示，當某個進程調用epoll_create方法時，內核會創建一個eventpoll對象（也就是程序中epfd所代表的對象）。eventpoll對象也是文件系統中的一員，和socket一樣，它也會有等待隊列。
內核創建eventpoll對象
創建一個代表該epoll的eventpoll對象是必須的，因爲內核要維護“就緒列表”等數據，“就緒列表”可以作爲eventpoll的成員。
維護監視列表
創建epoll對象後，可以用epoll_ctl添加或刪除所要監聽的socket。以添加socket爲例，如下圖，如果通過epoll_ctl添加sock1、sock2和sock3的監視，內核會將eventpoll添加到這三個socket的等待隊列中。
添加所要監聽的socket
當socket收到數據後，中斷程序會操作eventpoll對象，而不是直接操作進程。
接收數據
當socket收到數據後，中斷程序會給eventpoll的“就緒列表”添加socket引用。如下圖展示的是sock2和sock3收到數據後，中斷程序讓rdlist引用這兩個socket。
給就緒列表添加引用
eventpoll對象相當於是socket和進程之間的中介，socket的數據接收並不直接影響進程，而是通過改變eventpoll的就緒列表來改變進程狀態。
當程序執行到epoll_wait時，如果rdlist已經引用了socket，那麼epoll_wait直接返回，如果rdlist爲空，阻塞進程。
阻塞和喚醒進程
假設計算機中正在運行進程A和進程B，在某時刻進程A運行到了epoll_wait語句。如下圖所示，內核會將進程A放入eventpoll的等待隊列中，阻塞進程。
epoll_wait阻塞進程
當socket接收到數據，中斷程序一方面修改rdlist，另一方面喚醒eventpoll等待隊列中的進程，進程A再次進入運行狀態（如下圖）。也因爲rdlist的存在，進程A可以知道哪些socket發生了變化。
epoll喚醒進程
八、epoll的實現細節
至此，相信讀者對epoll的本質已經有一定的瞭解。但我們還留有一個問題，eventpoll的數據結構是什麼樣子？
再留兩個問題，就緒隊列應該應使用什麼數據結構？eventpoll應使用什麼數據結構來管理通過epoll_ctl添加或刪除的socket？
（——我是分割線，想好了才能往下看哦~）
如下圖所示，eventpoll包含了lock、mtx、wq（等待隊列）、rdlist等成員。rdlist和rbr是我們所關心的。
epoll原理示意圖，圖片來源：《深入理解Nginx：模塊開發與架構解析(第二版)》，陶輝
就緒列表的數據結構
就緒列表引用着就緒的socket，所以它應能夠快速的插入數據。
程序可能隨時調用epoll_ctl添加監視socket，也可能隨時刪除。當刪除時，若該socket已經存放在就緒列表中，它也應該被移除。
所以就緒列表應是一種能夠快速插入和刪除的數據結構。雙向鏈表就是這樣一種數據結構，epoll使用雙向鏈表來實現就緒隊列（對應上圖的rdllist）。
索引結構
既然epoll將“維護監視隊列”和“進程阻塞”分離，也意味着需要有個數據結構來保存監視的socket。至少要方便的添加和移除，還要便於搜索，以避免重複添加。紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹，搜索、插入和刪除時間複雜度都是O(log(N))，效率較好。epoll使用了紅黑樹作爲索引結構（對應上圖的rbr）。
ps：因爲操作系統要兼顧多種功能，以及由更多需要保存的數據，rdlist並非直接引用socket，而是通過epitem間接引用，紅黑樹的節點也是epitem對象。同樣，文件系統也並非直接引用着socket。爲方便理解，本文中省略了一些間接結構。
九、結論
epoll在select和poll（poll和select基本一樣，有少量改進）的基礎引入了eventpoll作爲中間層，使用了先進的數據結構，是一種高效的多路複用技術。
再留一點作業！
下表是個很常見的表，描述了select、poll和epoll的區別。讀完本文，讀者能否解釋select和epoll的時間複雜度爲什麼是O(n)和O(1)？
select、poll和epoll的區別。圖片來源《Linux高性能服務器編程》