【卡布西游八卦灵盘】如果不太懂这篇文章中的Epoll原理，就来掐死我吧。

从事服务端开发需要接触互联网编程。Epoll是Nginx、Redis、Skynet和大多数游戏服务器使用的Linux中高性能网络服务器的必备技术，非常重要。

Epoll很重要，但是Epoll和Select有什么区别？Epoll为什么高效？

网上也有不少解释Epoll的文章，但很少太简单明了，或者沉迷于源代码分析，容易理解。

笔者决定写这篇文章，以便缺乏专业背景知识的读者也能理解Epoll的原理。这篇文章的核心思想是让读者清楚地理解Epoll为什么性能好。

网络从从从句子卡接收数据的过程开始，连接CPU中断、操作系统进程调度等知识。拦截接收数据，进一步分析从Select到Epoll的进化过程。最后，探讨了Epoll的实施细节。

从网卡接收数据开始

以下是由CPU、内存(内存)、网络接口等组件组成的典型计算机结构图。了解Epoll本质的第一步是从硬件的角度了解计算机接收网络数据的方式。

计算机地图(图片来源：Linux内核完全注释的微机配置)

下图显示了网卡接收数据的过程。

在第一阶段，网卡收到了来自网线的数据。第二阶段硬件电路传输后。最后三步将数据写入内存中的一个地址。此过程包括DMA传输、IO路径选择等硬件知识，但只需知道网卡将接收的数据写入内存即可。

网卡接收数据的过程

通过硬件传输，网卡接收的数据存储在内存中，并可由操作系统读取。

如何知道数据接收？

理解Epoll本质的第二步是从CPU的角度看数据接收。要理解这个问题，首先要理解概念，即中断。

计算机运行程序时有优先要求。例如，计算机收到断电信号后，必须立即存储数据，存储数据的程序具有较高的优先级(电容可以存储一些电，以便CPU短时间内工作)。

通常，硬件生成的信号需要CPU立即响应。否则，可能会丢失数据，因此优先级较高。

CPU必须通过拦截正在运行的程序来响应。CPU完成对硬件的响应后，再次运行用户程序。

中断的过程类似于函数调用，但函数调用事先定位，中断的位置由信号决定，如下图所示。

中断程序调用

以键盘为例，当用户按键盘键时，键盘会向CPU的中断引脚发送较高的级别。CPU可以捕获该信号，并运行键盘中断程序。

下图显示了各种硬件通过中断与CPU交互的过程。

CPU中断(图片来源：net。）

现在，“我怎么知道我收到了数据？点击这个问题：如果网卡在内存中记录数据，网卡向CPU发送中断信号，操作系统就会知道新数据到了，可以通过网卡中断程序处理数据。

进程阻塞未被使用的原因

CPU 资源?

了解 Epoll 本质的第三步，要从操作系统进程调度的角度来看数据接收。阻塞是进程调度的关键一环，指的是进程在等待某事件(如接收到网络数据)发生之前的等待状态，Recv、Select 和 Epoll 都是阻塞方法。

下边分析一下进程阻塞为什么不占用 CPU 资源?为简单起见，我们从普通的 Recv 接收开始分析，先看看下面代码：

//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。那么阻塞的原理是什么?

工作队列

操作系统为了支持多任务，实现了进程调度的功能，会把进程分为“运行”和“等待”等几种状态。

运行状态是进程获得 CPU 使用权，正在执行代码的状态;等待状态是阻塞状态，比如上述程序运行到 Recv 时，程序会从运行状态变为等待状态，接收到数据后又变回运行状态。

操作系统会分时执行各个运行状态的进程，由于速度很快，看上去就像是同时执行多个任务。

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。

工作队列中有 A、B 和 C 三个进程

等待队列

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(如下图)。

创建 Socket

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。等待队列是个非常重要的结构，它指向所有需要等待该 Socket 事件的进程。

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(如下图)。

Socket 的等待队列

由于工作队列只剩下了进程 B 和 C，依据进程调度，CPU 会轮流执行这两个进程的程序，不会执行进程 A 的程序。所以进程 A 被阻塞，不会往下执行代码，也不会占用 CPU 资源。

注：操作系统添加等待队列只是添加了对这个“等待中”进程的引用，以便在接收到数据时获取进程对象、将其唤醒，而非直接将进程管理纳入自己之下。上图为了方便说明，直接将进程挂到等待队列之下。

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，该进程变成运行状态，继续执行代码。

同时由于 Socket 的接收缓冲区已经有了数据，Recv 可以返回接收到的数据。

内核接收网络数据全过程

这一步，贯穿网卡、中断与进程调度的知识，叙述阻塞 Recv 下，内核接收数据的全过程。

内核接收数据全过程

如上图所示，进程在 Recv 阻塞期间：

• 计算机收到了对端传送的数据(步骤 ①)
• 数据经由网卡传送到内存(步骤 ②)
• 然后网卡通过中断信号通知 CPU 有数据到达，CPU 执行中断程序(步骤 ③)

此处的中断程序主要有两项功能，先将网络数据写入到对应 Socket 的接收缓冲区里面(步骤 ④)，再唤醒进程 A(步骤 ⑤)，重新将进程 A 放入工作队列中。

唤醒进程的过程如下图所示：

唤醒进程

以上是内核接收数据全过程，这里我们可能会思考两个问题：

• 操作系统如何知道网络数据对应于哪个 Socket?
• 如何同时监视多个 Socket 的数据?

第一个问题：因为一个 Socket 对应着一个端口号，而网络数据包中包含了 IP 和端口的信息，内核可以通过端口号找到对应的 Socket。

当然，为了提高处理速度，操作系统会维护端口号到 Socket 的索引结构，以快速读取。

第二个问题是多路复用的重中之重，也正是本文后半部分的重点。

同时监视多个 Socket 的简单方法

服务端需要管理多个客户端连接，而 Recv 只能监视单个 Socket，这种矛盾下，人们开始寻找监视多个 Socket 的方法。Epoll 的要义就是高效地监视多个 Socket。

从历史发展角度看，必然先出现一种不太高效的方法，人们再加以改进，正如 Select 之于 Epoll。先理解不太高效的 Select，才能够更好地理解 Epoll 的本质。

假如能够预先传入一个 Socket 列表，如果列表中的 Socket 都没有数据，挂起进程，直到有一个 Socket 收到数据，唤醒进程。这种方法很直接，也是 Select 的设计思想。

为方便理解，我们先复习 Select 的用法。在下边的代码中，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。

用户可以遍历 FDS，通过 FD_ISSET 判断具体哪个 Socket 收到数据，然后做出处理。

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 < ; i++){ if(FD_ISSET(fds[i], ...)){ //fds[i]的数据处理 } } }

Select 的流程

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。

操作系统把进程 A 分别加入这三个 Socket 的等待队列中

当任何一个 Socket 收到数据后，中断程序将唤起进程。下图展示了 Sock2 接收到了数据的处理流程：

Sock2 接收到了数据，中断程序唤起进程 A

注：Recv 和 Select 的中断回调可以设置成不同的内容。

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，如下图所示：

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。

那么，有没有减少遍历的方法?有没有保存就绪 Socket 的方法?这两个问题便是 Epoll 技术要解决的。

补充说明：本节只解释了 Select 的一种情形。当程序调用 Select 时，内核会先遍历一遍 Socket，如果有一个以上的 Socket 接收缓冲区有数据，那么 Select 直接返回，不会阻塞。

这也是为什么 Select 的返回值有可能大于 1 的原因之一。如果没有 Socket 有数据，进程才会阻塞。

Epoll 的设计思路

Epoll 是在 Select 出现 N 多年后才被发明的，是 Select 和 Poll(Poll 和 Select 基本一样，有少量改进)的增强版本。Epoll 通过以下一些措施来改进效率：

措施一：功能分离

Select 低效的原因之一是将“维护等待队列”和“阻塞进程”两个步骤合二为一。

相比 Select，Epoll 拆分了功能

如上图所示，每次调用 Select 都需要这两步操作，然而大多数应用场景中，需要监视的 Socket 相对固定，并不需要每次都修改。

Epoll 将这两个操作分开，先用 epoll_ctl 维护等待队列，再调用 epoll_wait 阻塞进程。显而易见地，效率就能得到提升。

为方便理解后续的内容，我们先了解一下 Epoll 的用法。如下的代码中，先用 epoll_create 创建一个 Epoll 对象 Epfd，再通过 epoll_ctl 将需要监视的 Socket 添加到 Epfd 中，最后调用 epoll_wait 等待数据：

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 } }

功能分离，使得 Epoll 有了优化的可能。

措施二：就绪列表

Select 低效的另一个原因在于程序不知道哪些 Socket 收到数据，只能一个个遍历。如果内核维护一个“就绪列表”，引用收到数据的 Socket，就能避免遍历。

就绪列表示意图

如上图所示，计算机共有三个 Socket，收到数据的 Sock2 和 Sock3 被就绪列表 Rdlist 所引用。

当进程被唤醒后，只要获取 Rdlist 的内容，就能够知道哪些 Socket 收到数据。

Epoll 的原理与工作流程

本节会以示例和图表来讲解 Epoll 的原理和工作流程。

创建 Epoll 对象

如下图所示，当某个进程调用 epoll_create 方法时，内核会创建一个 eventpoll 对象(也就是程序中 Epfd 所代表的对象)。

内核创建 eventpoll 对象

eventpoll 对象也是文件系统中的一员，和 Socket 一样，它也会有等待队列。

创建一个代表该 Epoll 的 eventpoll 对象是必须的，因为内核要维护“就绪列表”等数据，“就绪列表”可以作为 eventpoll 的成员。

维护监视列表

创建 Epoll 对象后，可以用 epoll_ctl 添加或删除所要监听的 Socket。以添加 Socket 为例。

添加所要监听的 Socket

如上图，如果通过 epoll_ctl 添加 Sock1、Sock2 和 Sock3 的监视，内核会将 eventpoll 添加到这三个 Socket 的等待队列中。

当 Socket 收到数据后，中断程序会操作 eventpoll 对象，而不是直接操作进程。

接收数据

当 Socket 收到数据后，中断程序会给 eventpoll 的“就绪列表”添加 Socket 引用。

给就绪列表添加引用

如上图展示的是 Sock2 和 Sock3 收到数据后，中断程序让 Rdlist 引用这两个 Socket。

eventpoll 对象相当于 Socket 和进程之间的中介，Socket 的数据接收并不直接影响进程，而是通过改变 eventpoll 的就绪列表来改变进程状态。

当程序执行到 epoll_wait 时，如果 Rdlist 已经引用了 Socket，那么 epoll_wait 直接返回，如果 Rdlist 为空，阻塞进程。

阻塞和唤醒进程

假设计算机中正在运行进程 A 和进程 B，在某时刻进程 A 运行到了 epoll_wait 语句。

epoll_wait 阻塞进程

如上图所示，内核会将进程 A 放入 eventpoll 的等待队列中，阻塞进程。

当 Socket 接收到数据，中断程序一方面修改 Rdlist，另一方面唤醒 eventpoll 等待队列中的进程，进程 A 再次进入运行状态(如下图)。

Epoll 唤醒进程

也因为 Rdlist 的存在，进程 A 可以知道哪些 Socket 发生了变化。

Epoll 的实现细节

至此，相信读者对 Epoll 的本质已经有一定的了解。但我们还需要知道 eventpoll 的数据结构是什么样子?

此外，就绪队列应该使用什么数据结构?eventpoll 应使用什么数据结构来管理通过 epoll_ctl 添加或删除的 Socket?

Epoll 原理示意图，图片来源：《深入理解 Nginx：模块开发与架构解析(第二版)》，陶辉

如上图所示，eventpoll 包含了 Lock、MTX、WQ(等待队列)与 Rdlist 等成员，其中 Rdlist 和 RBR 是我们所关心的。

就绪列表的数据结构

就绪列表引用着就绪的 Socket，所以它应能够快速的插入数据。程序可能随时调用 epoll_ctl 添加监视 Socket，也可能随时删除。

当删除时，若该 Socket 已经存放在就绪列表中，它也应该被移除。所以就绪列表应是一种能够快速插入和删除的数据结构。

双向链表就是这样一种数据结构，Epoll 使用双向链表来实现就绪队列(对应上图的 Rdlist)。

索引结构

既然 Epoll 将“维护监视队列”和“进程阻塞”分离，也意味着需要有个数据结构来保存监视的 Socket，至少要方便地添加和移除，还要便于搜索，以避免重复添加。

红黑树是一种自平衡二叉查找树，搜索、插入和删除时间复杂度都是 O(log(N))，效率较好，Epoll 使用了红黑树作为索引结构(对应上图的 RBR)。

注：因为操作系统要兼顾多种功能，以及有更多需要保存的数据，Rdlist 并非直接引用 Socket，而是通过 Epitem 间接引用，红黑树的节点也是 Epitem 对象。

同样，文件系统也并非直接引用着 Socket。为方便理解，本文中省略了一些间接结构。

总结

Epoll 在 Select 和 Poll 的基础上引入了 eventpoll 作为中间层，使用了先进的数据结构，是一种高效的多路复用技术。

这里也以表格形式简单对比一下 Select、Poll 与 Epoll，结束此文。希望读者能有所收获。

图片来源《Linux 高性能服务器编程》

作者：罗培羽

简介：正在创作好玩游戏的程序员，作为游戏行业从业人员，曾参与《卡布西游》、《卡布仙踪》、《卡布魔镜》、《坦克射击》与《海陆大战》等多个项目研发工作;作为独立游戏开发者，主导《仙剑 5 前传之心愿》与《蚀梦》等项目研发，拥有丰富的实战经验。自 2009 年发布第一部视频教程《教你用 VB 制作 RPG 游戏》以来，先后出版专业书籍《手把手教你用 C# 制作 RPG 游戏》与《Unity3D 网络游戏实战》。目前关注手机游戏与 AI 技术等领域，并以第三方视角记录普通开发者的心路历程。