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倘若命中无此运，孤身亦可登昆仑，送给屏幕面前的读者朋友们和小编自己!

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前言

【linux】高级IO，I/O多路转接之poll，接口和原理讲解，poll版本的TCP服务器——书接上文 详情请点击<——，本文会在上文的基础上进行讲解，所以对上文不了解的读者友友请点击前方的蓝字链接进行学习
本文由小编为大家介绍——【linux】高级IO，I/O多路转接之epoll，接口和原理讲解

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一、前置知识

1. 要讲解epoll，那么离不开poll，那么虽然poll解决了select的两个硬伤，即fd有上限，以及在调用的时候需要对关心的fd上的事件进行重置，但是poll还有效率的问题
2. 即poll的效率还是不够极致，因为poll中需要用户维护关心fd的数组_event_fds，要进行大量的遍历，例如在分派器Dispatcher判断_event_fds中已经就绪的fd需要进行遍历数组，在连接管理器Accepter中寻找合适的位置放入连接对应的文件描述符sock的时候同样需要遍历数组，同样的在内核检测fd就绪也需要遍历底层的文件描述符表进而判断对应的fd上的事件是否就绪
3. 但是小编，这里我有一个疑问，遍历数组的事件复杂度并不高呀，仅仅是O(N)，感觉并没有影响效率，那么小编在这里说如果今天要关心的fd有1亿个，乃至10亿个，你poll的接口可以设置的fd没有上限，那么理想情况下，在硬件内存支持的情况下，poll是可以允许关心高达10亿多个fd上的事件的，那么此时进行多次的遍历就很影响效率
4. 所以poll也是有硬伤的，那么poll的硬伤如何优化呢？那么就要使用到本文小编讲解的epoll这个多路转接方案了，下面我们来讲解一下多路转接方案之epoll

二、epoll接口

1. epoll的接口有三个，分别是epoll_create，epoll_wait，epoll_ctl，下面我们来依次认识一下

epoll_create

1. epoll_create用于创建epoll模型，然后返回epoll模型对应的文件描述符，对于epoll_create的参数已经被忽略，我们可以传入任意int类型的值，如果epoll_create的返回值大于等于0，那么表示创建epoll模型成功，否则就会返回-1表示创建epoll模型失败
2. 我们知道linux下一切皆文件，所以系统会将epoll模型和文件打开对象关联，而文件打开对象会和进程的文件描述符表关联起来，文件描述符表中对应文件打开对象的数组下标就是文件描述符epfd，所以epoll_create会返回epoll文件描述符返回给上层
3. 所以上层就可以通过文件描述符epfd在文件描述符表中找到和epoll模型关联的文件打开对象，所以此时文件打开对象就可以通过指针找到epoll模型
4. 那么关于epoll模型是什么，以及这些具体的流程，小编会在第三点的原理讲解中进行讲解

epoll_wait

1. epoll也是多路转接的一种方案，所以也就意味着epoll可以一次等待多个文件描述符，而epoll_event就可以将epoll一次等待的多个已经就绪的文件描述符从epoll模型中连续获取上来，所以此时也就不需要用户层和内核层去进行频繁的遍历，所以poll的效率这个硬伤问题也就可以被epoll解决，关于epoll如何进行处理的，小编会在epoll的原理进行讲解，别忘了要找到epoll模型就需要使用到对应的文件描述符epfd，所以如上图，epoll_create的第一个参数是epoll_create的返回值对应的文件描述符epfd我们也就可以理解了
2. 那么对于epoll_create的第二个参数表面上是一个指针，实际上是一个数组，那么这个数组有多少个可以从epoll_create的返回值获悉，那么我们来看这个数组中对象的类型struct epoll_event，这个结构体类型中有两个成员变量，第一个成员变量是uint32_t的events，而这个events是使用位图的形式传递标志位
3. 所以，那么用户传入的时候是关心某事件，例如关心读事件，关心写事件等，那么内核传出的时候是某时间就绪，例如读事件就绪，写事件就绪等，那么这个uint32_t类型的events都可以通过位图的形式传递什么标识位对应的事件呢？如下
   （一）EPOLLIN，表示对应的文件描述符可以读，或者对端的调用close正常关闭连接
   （二）EPOLLOUT，表示对应的文件描述符可以写
   （三）EPOLLPRI，表示对应的文件描述符上有紧急的数据可读
   （四）EPOLLERR，表示对应的文件描述符发生错误，此时我们需要关闭这个fd
   （五）EPOLLHUP，表示对应的文件描述符被挂断，此时我们需要关闭这个fd
   （六）EPOLLET，将epoll的工作模式由默认的LT（Level Triggered）水平触发模式，设置为ET（Edge Triggered）边缘触发模式，关于LT和ET的相关讲解，小编会在下一篇的Reactor中进行讲解
   （七）EPOLLONTSHOT，只监听一次事件，当监听完这次事件后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到epoll模型中
   
4. 那么在看完struct epoll_event中的第一个成员变量events之后，下面我们来看第二个成员变量epoll_data_t类型的data，这个data用于存储用户的自定义数据，那么我们看上图，epoll_data_t这个类型是一个联合体union
5. 在这个类型中我们只关心int类型的文件描述符fd，所以当我们拿到一个struct epoll_event的时候，即可通过epoll_data_t类型的data找到是哪一个文件描述符fd，也可以通过uint32_t类型的events得知这个文件描述符上的什么事件就绪了
6. 那么小编，小编，既然epoll_wait的第二个参数events可以以数组的形式返回已经就绪的fd和event，并且数组中有多少个成员我们可以通过epoll_wait的返回值得知，那么我们还要epoll_wait的第三个参数maxevents有什么用呢？maxevents表示本次调用epoll_wait处理的最大事件就绪fd的个数
7. epoll可以一次等待多个文件描述符，那么如果本次epoll底层一次等待了有520个文件描述符上的事件都就绪了，可是上层一次最大限度并且期望仅处理50个，所以此时我们就可以将epoll_wait的第三个参数maxevents设置为50，那么此时epoll_wait返回值就会为50，并且epoll_wait的第二个参数events中也只会包含50个struct epoll_event对象，那么在epoll的默认处于的LT模式下，处理完成本次就绪的50个fd上的事件后，余下的470个fd上的事件会在下次继续进行处理，那么由于maxevents设置为50，所以下次也会只处理50个，以此重复
8. 那么等到最后，epoll底层等待的已经就绪的fd只有20个了，那么此时maxevents仍然为50，那么将epoll_wait的第三个参数maxevents以及epoll_wait返回值会为什么呢？别忘了maxevents即最大处理事件的个数，也就代表着处理的事件个数可以小于等于这个maxevents，所以此时将epoll_wait的第三个参数maxevents设置为20，那么此时epoll_wait返回值就会为20
   
9. epoll_wait的最后一个参数timeout是超时时间，如果这个超时时间同poll的超时时间，超时时间timeout的单位为毫秒us，1秒等于1000毫秒，所以如果我们想要设置epoll的超时时间为3秒，所以就应该给timeout传参3000
10. epoll也可以支持非阻塞等待，那么我们只需要将超时时间timeout设置为0，epoll也可以支持阻塞等待，那么我们只需要将超时时间timeout设置为负数，例如-1，这些小编会在epoll版本的TCP服务器中进行逐个验证

epoll_ctl

1. 在上面我们已经学习了epoll_create用于创建epoll模型，获取epoll对应的文件描述符epfd，epoll_wait用于获取epoll等待的事件就绪的文件描述符fd，所以接下来自然的，我们就要学习向epoll模型中添加，修改，删除文件描述符fd以及对应的事件event
2. 所以此时epoll_create就可以实现向epoll模型中添加，修改，删除文件描述符fd以及对应的事件event，那么epoll_create的第一个参数epfd也就是epoll_create的返回值，epoll模型对应的文件描述符epfd
3. epoll_create的第二个参数是op，op的类型如上，分别有EPOLL_CTL_ADD添加文件描述符fd以及对应的事件event，EPOLL_CTL_MOD修改文件描述符fd以及对应的事件event，EPOLL_CTL_DEL删除文件描述符fd以及对应的事件event
4. 那么epoll如何才能得知要op操作哪个文件描述上的那个事件呢？ 那么就是通过epoll_ctl的第三个参数fd和第四个参数event，那么第三个参数fd就是告知epoll本次要op操作的是fd这个文件描述符，第四个参数event就是告诉epoll本次要op操作的是event，即fd上的这个事件
5. 如果epoll_ctl进行op操作设置文件描述符fd和事件event成功，那么epoll_ctl就会返回0，如果操作失败，那么就会返回-1并且设置错误码
6. 下面小编来讲解一下epoll的原理，学习epoll模型，当epoll的原理讲解完成之后，小编会将epoll的接口对照到epoll的原理中帮助大家理解，epoll的接口究竟在epoll模型中做了什么

三、原理讲解

1. epoll模型分为三个机制，红黑树机制，就绪队列机制，网卡驱动回调机制，在正式讲解epoll的原理前，请大家先学习select，详情请点击<——和poll，详情请点击<——，有了select和poll的前置性铺垫之后我们理解epoll的原理更为容易，下面小编逐一讲解一下epoll模型的三个机制
   
2. 那么第一个是红黑树机制，我们回顾一下上面的select和poll，这两个多路转接方案为了便于管理fd都在用户层建立了一个第三方数组，那么epoll实际上是不需要我们自己在用户层建立第三个数组的，而是由内核层建立一个红黑树用于维护并管理fd，关于红黑树的讲解，详情请点击<——
3. 我们知道我们是为了维护fd，fd即文件描述符，文件描述符本质是文件描述符表这个数组的下标，而数组的下标是连续的，不重复的，0,1,2,3,4……，那么此时我们就完全可以让fd当做红黑树节点的键值key，让上图的struct rb_node当做value，所以此时我们就可以给每一个用户要关心的fd及其对应事件都构建一个红黑树节点
   
4. 那么第二个机制是就绪队列机制，处于红黑树的节点能否也处于队列中呢？完全可以，我们在节点中增加指针链接字段就可以，所以当检测到红黑树上的fd的event事件就绪之后，就可以将这个节点连接到就绪队列中即可，这个就绪队列是一个双链表的形式关于双链表，详情请点击<——
5. 所以就绪队列中的fd上的event事件全部都是就绪的，所以未来用户想要获取就绪的fd就只需要从就绪队列中获取就绪节点即可，所以从此以后epoll寻找就绪的fd并不需要select和poll一样遍历查找就绪的fd
   
6. 接下来我们看epoll的第三个机制网卡驱动回调机制，那么当网卡上检测到有数据的时候，网卡就会发生硬件中断 关于硬件中断在键盘数据如何输入给内核，ctrl + c如何变为信号的——谈谈硬件中进行的讲解，详情请点击<——，网卡发生硬件中断，就会告诉系统，我网卡上有数据了，所以此时网卡驱动就会调用回调函数将网卡的数据读上去
7. 即网卡驱动将数据向上交付，交付到tcp的接收队列中关于tcp的接收队列在打通文件和socket的关系中进行的讲解，详情请点击<——，当数据到了tcp的接受队列中之后，tcp的接收队列是处于sock中，那么sock是socket的成员变量，并且在socket中有指针回指向上层的文件对象struct file，所以操作系统自然可以知道这个数据是发送给哪一个文件描述符fd的
8. 那么此时再向操作系统维护的红黑树中根据fd查找这个fd对应的关心的event上有没有关心读事件，如果关心了，那么代表此时fd上的event上的读事件已经就绪了，所以此时就会将红黑树的fd对应的节点链接到就绪队列中去，所以上层如果想要获取就绪的fd就从就绪队列获取就绪节点即可
9. 所以如上就是epoll模型的三个机制，即红黑树机制，就绪队列机制，网卡驱动的回调机制
10. 如果今天的进程调用多个epoll_create那么就创建出了多个epoll模型，所以此时在系统中就有了多个epoll模型，那么系统要不要管理多个epoll模型，要，如何管理？先描述，再组织

struct eventpoll
{
	.... 
	/*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/ 
	struct rb_root rbr; 
	/*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/ 
	struct list_head rdlist; 
	.... 
};

11. 所以当我们每次调用epoll_create的时候，就会在内核层面创建一个struct eventepoll的结构体将epoll模型描述起来，那么在这个结构体的成员就包括有红黑树以及就绪队列等字段，然后再将这个struct eventepoll和文件对象struct file关联起来，即让struct file中的指针指向struct eventpoll即可，然后我们使用数组将文件对象struct file组织起来即可，所以从此以后管理多个epoll模型就只需要管理好fd对应的struct eventepoll即可

四、epoll的优点

1. 所以此时在了解了epoll的原理之后，下面我们就可以来总结一下epoll的优点了
2. 检测是否有fd上的事件就绪的时间复杂度是O(1)，那么只需要判断就绪队列是否为空即可，如果就绪队列为空，那么代表此时fd上的事件没有就绪的，如果就绪队列不为空，那么代表此时fd上的事件有就绪的，所以我们才可以说检测fd上的事件是否就绪的时间复杂度是O(1)
   
3. 获取就绪的fd的时间复杂度是O(N)，在epoll的第三个参数maxevents大于就绪队列的节点个数的情况下，我们获取就绪的fd要从就绪队列中进行获取，就绪队列的节点有N个，这个N始终不超过maxevents，所以获取获取就绪的fd的时间复杂度是O(N)
4. epoll中的fd，event没有上限，你用户无论要关心多少的fd，event，只需要向epoll模型的红黑树中添加即可，操作系统就可以自动完成epoll模型的三个机制进行关心fd上的event事件
5. epoll_wait的返回值n，表示有几个fd的event事件就绪了，即就绪事件是连续的，就绪事件有返回值n个

五、epoll的接口和epoll模型关联讲解

1. 此时我们已经学习的epoll的三个接口，分别是epoll_create，epoll_wait，epoll_ctl，并且我们也已经学习了epoll模型，这三个epoll的接口本质就是在操作epoll模型，下面小编将epoll的接口和epoll模型关联讲解，帮助大家更好的理解epoll的原理
   
2. 首先我们来看epoll_create，那么这个接口是创建epoll模型，那么就是先创建空红黑树，创建空就绪队列，将回调函数注册到网卡驱动中即可，然后再将空的红黑树和空的就绪队列放到struct eventepoll中描述起来，然后再将这个struct eventepoll和文件对象struct file关联起来，即让struct file中的指针指向struct eventpoll即可
3. 文件对象需要放到文件描述符表中，然后epoll_create会将这个文件对象在文件描述符表数组的下标epfd返回让上层拿到，所以此时epoll模型的三个机制已经准备好了，即epoll模型就已经创建出来了
4. 那么从此以后，如果我们想要找到epoll模型，那么只需要拿着epoll_create返回的文件描述符epfd从文件描述符表中找到文件对象，文件对象中有指针指向描述epoll模型struct eventepoll结构体的指针，所以此时就可以找到描述epoll模型struct eventepoll结构体，自然也就找到了struct eventepoll的成员变量红黑树和就绪队列进行访问和操作了
   
5. 接下来我们看epoll_wait，那么就是根据epfd找到epoll模型中的就绪队列，先判断就绪队列是否为空，如果为空，那么代表此时没有就绪的fd，如果就绪队列不为空说明此时有就绪的fd，那么就直接从就绪队列中拿就绪节点即可，然后以返回值n的形式返回拿的就绪节点的个数，这个拿的就绪节点的个数不能超过第三个参数maxevents，可以小于等于maxevents
6. 接下来我们看epoll_ctl，那么就是根据epfd找到epoll模型中的红黑树，那么就可以根据参数中的fd和event以及要进行的操作op对红黑树的节点进行新增，修改和删除操作

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总结

以上就是今天的博客内容啦,希望对读者朋友们有帮助
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