epoll简介（二）

一：多路复用的举例

以一个生活中的例子来解释：

假设你在大学中读书，要等待一个朋友（数据）来访（要读），而这个朋友只知道你在A号楼（socket集合），但是不知道你具体住在哪里，于是你们约好了在A号楼门口见面。

如果你使用的阻塞IO模型来处理这个问题，那么你就只能一直守候在A号楼门口等待朋友的到来，在这段时间里你不能做别的事情，不难知道，这种方式的效率是低下的。

现在时代变化了，开始使用多路复用IO模型来处理这个问题。你告诉你的朋友来了A号楼找楼管大妈，让她告诉你该怎么走。这里的楼管大妈扮演的就是多路复用IO的角色（select，poll，epoll）。

select版大妈做的是如下的事情：比如同学甲的朋友来了，select版大妈比较笨，她带着朋友挨个房间进行查询谁是同学甲，你等的朋友来了。在实际的代码中，select版大妈做的是以下的事情：

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;
    }
}

epoll版大妈就比较先进了：她记下了同学甲的信息，比如说他的房间号（socket fd），那么等同学甲的朋友到来时，只需要告诉该朋友同学甲在哪个房间即可，不用自己亲自带着人满大楼的找人了。epoll版大妈做的事情可以用如下的代码表示：

n = epoll_wait(epfd,events,20,500);
for(i=0;i<n;++i)
{
    do_something(events[n]);
}

在epoll中,关键的数据结构epoll_event定义如下:

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是一个union结构体，它就是epoll版大妈用于保存同学信息的结构体，它可以保存很多类型的信息:fd，指针等等。有了这个结构体，epoll大妈可以不用吹灰之力就可以定位到同学甲。

别小看了这些效率的提高，在一个大规模并发的服务器中，轮询IO是最耗时间的操作之一。再回到那个例子中，如果每到来一个朋友楼管大妈都要全楼的查询同学，那么处理的效率必然就低下了，过不久楼底就有不少的人了。

二：select和poll

尽管poll和select完成一样的工作，但是poll仍然优于select：

1：poll无需使用者计算最大的文件描述符值加一和传递该参数。

2：poll在应对较大值的文件描述符时更具效率。想象一下select监视值为900的文件描述符时的情况，内核需要检查每个集合中的每个比特位，直到第900个。

3：select的文件描述符集合是静态大小的，所以要做出权衡：要么集合很小，限制了select可以监视的文件描述符的最大值，要么很大，但是效率不高。尤其是当不能确定集合的组成是否稀疏时，对较大掩码的操作效率不高。而用poll则可以创建合适大小的数组。

4：若用select，文件描述符集合会在返回时重新创建，这样的话，之后每个调用都必须重新初始化它们。poll调用分离了输入（events）和输出（revents），数组无需改变即可重用。

select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它仅仅是一个文件描述符集合。内核对fd_set集合的修改，使应用程序在下次调用select的时候，需要重置3个fd_set集合。

poll的参数pollfd要比select聪明一些，它把文件描述符和事件都定义在其中，内核每次修改的是pollfd结构体中的revents成员，而events成员保持不变，因此下次调用poll的时候，无需重置。

5：select的timeout参数在返回时是未定义的。

但是select系统调用也有几个不错的地方：

1：某些系统不支持poll，所以select的可移植性更好。

2：select提供了更好的超时方案：直到微妙级。

三：epoll

select和poll都只能工作在相对低效的LT模式，而epoll可以工作在ET模式，而且还支持EPOLLONESHOT事件，该事件可以进一步减少可读、可写和异常事件触发的次数。

从内核实现原理上来说，select和poll采用的都是轮询的方式，即每次调用都要扫描整个注册文件描述符集合，并将其中就绪的文件描述符返回给用户程序，因此它们检测就绪事件的时间复杂度是O(n)。

epoll_wait则不同，它采用的是回调的方式。内核检测到就绪的文件描述符时，将触发回调函数，回调函数就将该文件描述符上对应的事件插人内核就绪事件队列。内核最后在适当的时机将该就绪事件队列中的内容拷贝到用户空间。因此epoll_wait无须轮询整个文件描述符集合来检洲哪些事件已经就绪，其算法时问复杂度是0(1)。

但是。当活动连接比较多的时候。epoll_wait的效率未必比就select和poll高，因为此时回调函数被触发得过于频繁。所以epoll_wait适用于连接数量多，但活动连接较少的情况。

从应用程序的角度看，每次select和poll调用，都返回整个用户注册的事件集合，包括就绪的和未就绪的，所以应用程序寻找就绪文件描述符的时间是O(n)。

epoll采用完全不同的方式来管理用户注册的事件，它在内核中维护事件表，提供独立的系统调用epoll_ctl进行添加，删除，修改事件。这样，每次epoll_wait调用都直接从内核事件表中取得用户注册的事件，而无需反复从用户空间读入这些事件，而且，epoll_wait只返回就绪事件，所以，应用程序寻找就绪文件描述符的时间为O(1)。

四：其他

当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个描述符的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后，然后把socket插入到准备就绪链表里。

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。