epoll原理解释（转）

转自：http://yaocoder.blog.51cto.com/2668309/888374

 

首先咱们来定义流的概念，一个流能够是文件，socket，pipe等等能够进行I/O操做的内核对象。

 

    不论是文件，仍是套接字，仍是管道，咱们均可以把他们看做流。

 

    以后咱们来讨论I/O的操做，经过read，咱们能够从流中读入数据；经过write，咱们能够往流写入数据。如今假定一个情形，咱们须要从流中读数据，可是流中尚未数据，（典型的例子为，客户端要从socket读如数据，可是服务器尚未把数据传回来），这时候该怎么办？

 

阻塞：阻塞是个什么概念呢？好比某个时候你在等快递，可是你不知道快递何时过来，并且你没有别的事能够干（或者说接下来的事要等快递来了才能作）；那么你能够去睡觉了，由于你知道快递把货送来时必定会给你打个电话（假定必定能叫醒你）。

 

非阻塞忙轮询：接着上面等快递的例子，若是用忙轮询的方法，那么你须要知道快递员的手机号，而后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

 

    很明显通常人不会用第二种作法，不只显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

    大部分程序也不会用第二种作法，由于第一种方法经济而简单，经济是指消耗不多的CPU时间，若是线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

 

    为了了解阻塞是如何进行的，咱们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减小频繁I/O操做而引发频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操做一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操做，这是相对于用户空间而言。对于内核来讲，也须要缓冲区。

 

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

 

假设一开始内核缓冲区是空的，B做为读出方，被阻塞着。而后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。

    可是“缓冲区非空”事件通知B后，B却尚未读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，若是内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，咱们把这个事件定义为“缓冲区满”。

 

假设后来Ｂ终于开始读数据了，因而内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你能够从长眠中醒来了，继续写数据了，咱们把这个事件叫作“缓冲区非满”

    也许事件Y1已经通知了A，可是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你须要阻塞了！，咱们把这个时间定为“缓冲区空”。

 

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。（若是不能理解“同步”是什么概念，请学习操做系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。

 

    而后咱们来讲说阻塞I/O的缺点。可是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。若是想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。

    因而再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，咱们发现咱们能够同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

while true {

for i in stream[]; {

if i has data

read until unavailable

}

}

    咱们只要不停的把全部流从头至尾问一遍，又从头开始。这样就能够处理多个流了，但这样的作法显然很差，由于若是全部的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其余对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。

 

    为了不CPU空转，能够引进了一个代理（一开始有一位叫作select的代理，后来又有一位叫作poll的代理，不过二者的本质是同样的）。这个代理比较厉害，能够同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，因而咱们的程序就会轮询一遍全部的流（因而咱们能够把“忙”字去掉了）。代码长这样:

while true {

select(streams[])

for i in streams[] {

if i has data

read until unavailable

}

}

    因而，若是没有I/O事件产生，咱们的程序就会阻塞在select处。可是依然有个问题，咱们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至所有），咱们只能无差异轮询全部流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操做。

    可是使用select，咱们有O(n)的无差异轮询复杂度，同时处理的流越多，没一次无差异轮询时间就越长。再次

说了这么多，终于能好好解释epoll了

    epoll能够理解为event poll，不一样于忙轮询和无差异轮询，epoll之会把哪一个流发生了怎样的I/O事件通知咱们。此时咱们对这些流的操做都是有意义的。（复杂度下降到了O(1)）

    在讨论epoll的实现细节以前，先把epoll的相关操做列出：

 

epoll_create 建立一个epoll对象，通常epollfd = epoll_create()

 

epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增长/删除某一个流的某一个事件

好比

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件，即有数据流入

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件，即流能够被写入

epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。

 

一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {

active_stream[] = epoll_wait(epollfd)

for i in active_stream[] {

read or write till

}

}

    限于篇幅，我只说这么多，以揭示原理性的东西，至于epoll的使用细节，请参考man和google，实现细节，请参阅linux kernel source。