图解 | epoll怎么实现的

epoll 可以说是编写高性能服务端程序必不可少的技术，在介绍 epoll 之前，我们先来了解一下 多路复用I/O 吧。

多路复用I/O

多路复用I/O：是指内核负责监听多个 I/O 流，当任何一个 I/O 流处于就绪状态（可读或可写）时都会通知进程，以便可以处理该 I/O 流上的数据。如 图1 所示：

如 图1 所示，内核负责监听多个 I/O 流，当某些 I/O 流变为就绪状态，内核会把这些 I/O 流添加到就绪队列中，然后通知进程处理就绪队列中的 I/O 流。

与传统的阻塞型 I/O 相比，多路复用 I/O 的优点是可以同时监听多个 I/O 流，并且会把就绪的 I/O 流告知进程。

epoll原理

介绍完多路复用 I/O，接下来开始介绍我们的主角：epoll。

在 Linux 系统中，有多种多路复用 I/O 的实现，比如 select 和 poll 等。而 epoll 也是多路复用 I/O 一种实现，与 select 和 poll 相比，epoll 在性能上有较大的提升。

红黑树

epoll 内部使用红黑树来保存所有监听的 socket，红黑树是一种平衡二叉树，添加和查找元素的时间复杂度为 O(log n)，其结构如 图2 所示：

epoll 通过 socket 句柄来作为 key，把 socket 保存在红黑树中。如 图2 所示，每个节点中的数字代表着 socket 句柄。

把监听的 socket 保存在红黑树中的目的是，为了在修改监听 socket 的读写事件时，能够通过 socket 句柄快速找到对应的 socket 对象。

就绪队列

另外，epoll 还维护着一个就绪队列，当 epoll 监听的 socket 状态发生改变（变为可读或可写）时，就会把就绪的 socket 添加到就绪队列中。如 图3 所示：

当 socket 从网络中获取到数据后，会发生通知给 epoll，epoll 会将当前 socket 添加到就绪队列中，并且唤醒等待中的进程（也就是调用 epoll_wait 的进程）。

当 socket 状态发生变化时，会调用 ep_poll_callback 函数来通知 epoll，我们来看看这个函数的处理过程：

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, 
                            int sync, void *key)
{
    ...
    struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait);
    struct eventpoll *ep = epi->ep;
    ...
    // 1) 把 socket 添加到就绪队列中
    list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);

is_linked:
    // 2) 唤醒调用 epoll_wait() 而被阻塞的进程
    if (waitqueue_active(&ep->wq))
        wake_up_locked(&ep->wq);
    ...
    return 1;
}

ep_poll_callback 函数的意图很清晰，主要完成两个工作：

• 把就绪的 socket 添加到就绪队列中。
• 唤醒调用 epoll_wait 函数而被阻塞的进程。

当进程被唤醒后，就会从就绪队列中，把就绪的 socket 复制到用户提供的数组中。如 图4 所示：

如 图4 所示，在调用 epoll_wait 时需要提供一个 events 数组来存储就绪的 socket。当 epoll_wait 返回后，用户就可以从events 数组中获取到就绪的 socket，并可对其进行读写操作。

总结

本文主要通过图解的方式大概介绍了 epoll 的原理，但很多实现的细节只能通过阅读源码来了解。如果对 epoll 的实现有兴趣，可以参考《epoll 如何工作的》这篇文章。