epoll的实现原理

写在开篇

浅析epoll的实现原理。

recv

先看下只监听一个socket的程序流程：

//创建socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
//绑定
bind(s, ...)
//监听
listen(s, ...)
//接受客户端连接
int c = accept(s, ...)
//接收客户端数据
recv(c, ...);
//将数据打印出来
printf(...)

这是一段最基础的网络编程代码，先新建socket对象，依次调用bind、listen与accept，最后调用recv接收数据。recv是个阻塞方法，当程序运行到recv时，它会一直等待，直到接收到数据才往下执行。

下图的计算机中运行着A、B与C三个进程，其中进程A执行着上述基础网络程序，一开始，这3个进程都被操作系统的工作队列所引用，处于运行状态，会分时执行。

创建socket

当进程A执行到创建socket的语句时，操作系统会创建一个由文件系统管理的socket对象。这个socket对象包含了发送缓冲区、接收缓冲区与等待队列等成员。

阻塞进程

当程序执行到recv时，操作系统会将进程A从工作队列移动到该socket的等待队列中。

唤醒进程

当socket接收到数据后，操作系统将该socket等待队列上的进程重新放回到工作队列。

那我们接下来要讨论的问题是如何同时监视多个socket的数据？

select

下面是selec的用法：

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
bind(s, ...);
listen(s, ...);
int fds[] =  存放需要监听的socket;
while(1){
    int n = select(..., fds, ...)
    for(int i=0; i < fds.count; i++){
        if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
            //fds[i]的数据处理
        }
    }
}

先准备一个数组fds，让fds存放着所有需要监视的socket。然后调用select，如果fds中的所有socket都没有数据，select会阻塞，直到有一个socket接收到数据，select返回，唤醒进程。

select的实现思路很直接，假如程序同时监视如下图的sock1、sock2和sock3三个socket，那么在调用select之后，操作系统把进程A分别加入这三个socket的等待队列中。

假如sock2接收到了数据，中断程序唤起进程A。

所谓唤起进程，就是将进程从所有的等待队列中移除，加入到工作队列里面。

将进程A从所有等待队列中移除，再加入到工作队列里面。

经由这些步骤，当进程A被唤醒后，它知道至少有一个socket接收了数据。程序只需遍历一遍socket列表，就可以得到就绪的socket。

这种简单方式行之有效，在几乎所有操作系统都有对应的实现。

但是简单的方法往往有缺点，主要是：

每次调用select都需要将进程加入到所有监视socket的等待队列，每次唤醒都需要从每个队列中移除。这里涉及了两次遍历，而且每次都要将整个fds列表传递给内核，有一定的开销。正是因为遍历操作开销大，出于效率的考量，才会规定select的最大监视数量，默认只能监视1024个socket。
进程被唤醒后，程序并不知道哪些socket收到数据，还需要遍历一次。

epoll

先看下epoll的程序流程：

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
bind(s, ...)
listen(s, ...)

int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //将所有需要监听的socket添加到epfd中

while(1){
    int n = epoll_wait(...)
    for(接收到数据的socket){
        //处理
    }
}