上一篇文章中我们反复提到了一个名词—epoll，好像多路复用与其有着很大联系，这篇文章中我会从 linux 内核的角度为大家分析其底层原理。

epoll模型

上面所描述的三个操作系统方法就是 epoll 模型的核心：

  • epoll_create() 负责创建一个池子，一个监控和管理句柄 fd 的池子；
  • epoll_ctl() 责管理这个池子里的 fd 增、删、改；
  • epoll_wait() 负责阻塞接受池子中发生的事件，只要有事就会立马从这里唤醒

epoll池如何管理注册的fd

最常见的思路用一个 list（数组或者链表），但是 list 这种数据结构来存储元素，查询的时间复杂度有点高 O(n)，每次要一次次遍历数组或链表才能找到位置。处理添加处理还好，但是处理更新和删除操作效率随着池子的增大而降低。

epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的 SocketChannel 对应的文件描述字，红黑树是一种平衡二叉树，时间复杂度为 O(log n)，就算这个池子就算不断的增删改，也能保持非常稳定的查找性能。把需要监控绑定事件了对应事件的 SocketChannel 通过 epoll_ctl() 注册到 epoll 后，会加入到该红黑树中。

Linux内核中还维护了一个双向链表来记录就绪事件，当某个 socket 链接有事件发生时，通过回调函数，内核会将其加入到这个就绪事件列表中，当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。
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epoll 如何感知事件发生

在 Linux 中一切皆文件，这个不是说说而已，而是随处可见。实现一个文件系统的时候，就要实现这个文件调用，这个结构体用 struct file_operations 来表示。这个结构体有非常多的函数，精简了一些，如下：

  1. struct file_operations {
  2.     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  3.     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  5.     //定制回调函数
  6.     __poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  8.     int (*open) (struct inode *, struct file *);
  9.     int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
  10.     // ....
  11. };

其中 file_operation ->poll() 是对该 fd 定制一个回调函数，当发生读写时间时会回调该方法，从而实现了一种监听机制。

其中在调用 epoll_ctl() 往 epoll 池中注册对应的 fd 时（ADD操作），在添加的过程中还会注册一个回调函数。

  1. static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,  
  2.                      struct file *tfile, int fd)  
  3. {  
  4.     ............
  5.     // 注册回调函数, 并返回当前文件的状态  
  6.     revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);  
  7.     ...............
  9. }

当计算机网卡接收到网络传输数据的时候，计算机就能检测到事件发生。这是操作系统会产生一个中断。中断一般拆为上下两个部分，上部分为硬件中断，而软中断为是下半部分的一种实现机制，在这过程中就会触发该 fd 的回调函数 file_operation -> poll() 。通过回调函数主要完成两件事：

  1. 把事件就绪的 fd 对应的结构体放到就绪事件链表中（rdlist）
  2. 调用 epoll_wait() 方法唤醒 epoll

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