我讀過的最好的epoll講解

05-23

我讀過的最好的epoll講解

來自專欄嵌入式Linux那些事兒

原文：http://zhihu.com/question/20122137/answer/14049112

作者：藍形參

首先我們來定義流的概念，一個流可以是文件，socket，pipe等等可以進行I/O操作的內核對象。

不管是文件，還是套接字，還是管道，我們都可以把他們看作流。

之後我們來討論I/O的操作，通過read，我們可以從流中讀入數據；通過write，我們可以往流寫入數據。現在假定一個情形，我們需要從流中讀數據，但是流中還沒有數據（典型的例子為，客戶端要從socket讀如數據，但是伺服器還沒有把數據傳回來），這時候該怎麼辦？

阻塞。阻塞是個什麼概念呢？比如某個時候你在等快遞，但是不知道快遞什麼時候過來，而且你沒有別的事可以干（或者說接下來的事要等快遞來了才能做）；那麼你可以去睡覺了，因為你知道快遞把貨送來時一定會給你打個電話（假定一定能叫醒你）。

非阻塞忙輪詢。接著上面等快遞的例子，如果用忙輪詢的方法，那麼你需要知道快遞員的手機號，然後每分鐘給他掛個電話：「你到了沒？」

很明顯一般人不會用第二種做法，不僅顯很無腦，浪費話費不說，還佔用了快遞員大量的時間。

大部分程序也不會用第二種做法，因為第一種方法經濟而簡單，經濟是指消耗很少的CPU時間，如果線程睡眠了，就掉出了系統的調度隊列，暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。

為了了解阻塞是如何進行的，我們來討論緩衝區，以及內核緩衝區，最終把I/O事件解釋清楚。緩衝區的引入是為了減少頻繁I/O操作而引起頻繁的系統調用（你知道它很慢的），當你操作一個流時，更多的是以緩衝區為單位進行操作，這是相對於用戶空間而言。對於內核來說，也需要緩衝區。

假設有一個管道，進程A為管道的寫入方，Ｂ為管道的讀出方。

假設一開始內核緩衝區是空的，B作為讀出方，被阻塞著。然後首先A往管道寫入，這時候內核緩衝區由空的狀態變到非空狀態，內核就會產生一個事件告訴Ｂ該醒來了，這個事件姑且稱之為「緩衝區非空」。

但是「緩衝區非空」事件通知B後，B卻還沒有讀出數據；且內核許諾了不能把寫入管道中的數據丟掉, 這個時候Ａ寫入的數據會滯留在內核緩衝區中，如果內核緩衝區滿了，B仍未開始讀數據，最終內核緩衝區會被填滿，這個時候會產生一個I/O事件，告訴進程A，你該等等（阻塞）了，我們把這個事件定義為「緩衝區滿」。

假設後來Ｂ終於開始讀數據了，於是內核的緩衝區空了出來，這時候內核會告訴A，內核緩衝區有空位了，你可以從長眠中醒來，繼續寫數據了，我們把這個事件叫做「緩衝區非滿」

也許事件Y1已經通知了A，但是A也沒有數據要寫入，而Ｂ繼續讀出數據，知道內核緩衝區空了。這個時候內核就告訴B，你需要阻塞了！，我們把這個時間定為「緩衝區空」。

這四個情形涵蓋了四個I/O事件，緩衝區滿，緩衝區空，緩衝區非空，緩衝區非滿（注意都是說的內核緩衝區，且這四個術語都是我生造的，僅為解釋其原理而造）。這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。（如果不能理解「同步」是什麼概念，請學習操作系統的鎖，信號量，條件變數等任務同步方面的相關知識）。

然後我們來說說阻塞I/O的缺點。但是阻塞I/O模式下，一個線程只能處理一個流的I/O事件。如果想要同時處理多個流，要麼多進程(fork)，要麼多線程(pthread_create)，很不幸這兩種方法效率都不高。

於是再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式，我們發現我們可以同時處理多個流了（把一個流從阻塞模式切換到非阻塞模式在此不予討論）：

while true {

for i in stream[]

{

if i has data

read until unavailable

}

我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍，又從頭開始。這樣就可以處理多個流了，但這樣的做法顯然不好，因為如果所有的流都沒有數據，那麼只會白白浪費CPU。這裡要補充一點，阻塞模式下，內核對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒，而非阻塞模式下則把I/O事件交給其他對象（後文介紹的select以及epoll）處理甚至直接忽略。

為了避免CPU空轉，可以引進了一個代理（一開始有一位叫做select的代理，後來又有一位叫做poll的代理，不過兩者的本質是一樣的）。這個代理比較厲害，可以同時觀察許多流的I/O事件，在空閑的時候，會把當前線程阻塞掉，當有一個或多個流有I/O事件時，就從阻塞態中醒來，於是我們的程序就會輪詢一遍所有的流（於是我們可以把「忙」字去掉了）。代碼長這樣:

while true {

select(streams[])

for i in streams[] {

if i hasdata

read until unavailable

}

於是，如果沒有I/O事件產生，我們的程序就會阻塞在select處。但是依然有個問題，我們從select那裡僅僅知道了，有I/O事件發生，但卻並不知道是哪幾個流（可能有一個，多個，甚至全部），我們只能無差別輪詢所有流，找出能讀出數據，或者寫入數據的流，對他們進行操作。

但是使用select，我們有O(n)的無差別輪詢複雜度，同時處理的流越多，每一次無差別輪詢時間就越長。

說了這麼多，終於能好好解釋epoll了

epoll可以理解為event poll，不同於忙輪詢和無差別輪詢，epoll之會把哪個流發生了怎樣的I/O事件通知我們。此時我們對這些流的操作都是有意義的。（複雜度降低到了O(k)，k為產生I/O事件的流的個數，也有認為O(1)的[更新 1]）

在討論epoll的實現細節之前，先把epoll的相關操作列出[更新 2]：

epoll_create 創建一個epoll對象，一般epollfd = epoll_create()

epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合體），往epoll對象中增加/刪除某一個流的某一個事件

比如

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有緩衝區內有數據時epoll_wait返回

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//緩衝區可寫入時epoll_wait返回

epoll_wait(epollfd,...)等待直到註冊的事件發生

（註：當對一個非阻塞流的讀寫發生緩衝區滿或緩衝區空，write/read會返回-1，並設置errno=EAGAIN。而epoll只關心緩衝區非滿和緩衝區非空事件）。

一個epoll模式的代碼大概的樣子是：

while true {

active_stream[] = epoll_wait(epollfd)

for i in active_stream[] {

read or write untill unavailable

}

限於篇幅，我只說這麼多，以揭示原理性的東西，至於epoll的使用細節，請參考man和google，實現細節，請參閱linux kernel source。

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[更新1]: 原文為O(1)，但實際上O(k)更為準確

[更新2]: 原文所列第二點說法讓人產生EPOLLIN/EPOLLOUT等同於「緩衝區非空」和「緩衝區非滿」的事件，但並非如此，詳細可以Google關於epoll的邊緣觸發和水平觸發。