【Nginx】epoll及内核源码详解

内核源码： https://www.nowcoder.com/discuss/26226?type=0&order=0&pos=21&page=1

epoll流程：

首先调用epoll_create建立一个epoll对象，epoll_ctl可以操作上面建立的epoll对象，例如，将刚建立的socket加入到epoll中让其监控，或者把 epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll，不再监控它等等。epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，当在监控的所有句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

当一个进程调用epoll_create方法时，linux内核会创建一个eventpoll结构体，每个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，这个结构体会在内核空间中创造独立的内存，用于存储使用epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这样，重复的事件就可以通过红黑树高效地识别出来。

在epoll中，对于每一个事件都会建立一个epitem结构体。epoll还维护了一个双链表，用于存储发生的事件。当epoll_wait调用时，仅仅观察这个链表中有没有数据即eptime项即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。

准备就绪链表的维护：

当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里epoll对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。

执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表（eventpoll结构体成员），执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄。自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数

第一个参数是epoll_create()的返回值。

第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；

EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；

EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

第三个参数是需要监听的fd。

第四个参数是告诉内核需要监听什么事，event.data.fd就是第三个参数fd,event.events是该fd上需要监听的事件类型,struct epoll_event结构如下

//保存触发事件的某个文件描述符相关的数据（与具体使用方式有关）

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;//需要监听的文件描述符
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;
 //感兴趣的事件和被触发的事件
struct epoll_event {
    __uint32_t events; /* Epoll events *///需要监听的文件描述符的事件类型
    epoll_data_t data; /* User data variable */
};

events可以是以下几个宏的集合：

EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；

EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；

EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；

EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；

EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；

EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。

EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，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队列里

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

收集在epoll监控的事件中已经发生的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1是阻塞调用）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。

epoll工作原理：

epoll同样只告知那些就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait()获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，你只需要去epoll指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里也使用了内存映射（mmap）技术，这样便彻底省掉了这些文件描述符在系统调用时复制的开销。(我的理解：内核调用epoll_wait时，把就绪的fd及事件赋值到events数组中，用户在用户态中可以直接使用events数组，所以这其中用到mmap技术)

另一个本质的改进在于epoll采用基于事件的就绪通知方式(每个socket上注册一个回调函数)。在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。

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Epoll的2种工作方式-水平触发（LT）和边缘触发（ET）：

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死(在while循环中调用read、write、accept，若是阻塞套接字，当资源不够时，进程会被阻塞，则其他准备就绪的文件描述符得不到处理，如果是非阻塞套接字，当资源不够时，上述系统调用返回-1，同时将errno设置为EAGAIN)

LT模式下开发基于epoll的应用要简单些，不太容易出错。而在ET模式下事件发生时，如果没有彻底地将缓冲区数据处理完，则会导致缓冲区中的用户请求得不到响应。

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epoll相比select/poll的优点：

1.epoll支持一个进程打开大数目的socket描述符(FD)，select中一个进程打开的fd数目是有限制的，传统的apache方案是选择多进程来解决，但是创建进程是有代价的，而且进程间数据同步远比不上线程间同步的高效

2.epoll的IO效率不随FD数目增加而线性下降，select/poll每次调用都会线性扫描所有的集合，导致效率呈线性下降，而epoll在每个fd上面有callback函数，当监听的事件发生时，callback函数会自动将数据添加到就绪链表中(基于事件的就绪通知方式)。

3.epoll使用mmap加速内核与用户空间的消息传递，通过内核与用户空间mmap同一块内存实现(我的理解：epoll_wait中events参数，在内核态下赋值，用户态可以直接使用)

4.每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,而每次调用epoll_ctl只是在往内核的数据结构里塞入新的socket句柄

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epoll的使用方法：

首先通过epoll_create(int maxfds)来创建一个epoll的句柄。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄,因为epoll对象占用一个fd值。

之后在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll_wait(int epfd, epoll_event events, int max events, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。基本的语法为：nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);

其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后，epoll_events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件返回，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等(即阻塞调用epoll_wait)，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。epoll_wait返回之后应该是一个循环，遍历所有的事件

 for( ; ; )
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,,);
        for(i=;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的连接
            {
                connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //accept这个连接
                ev.data.fd=connfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
            }

            else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket
            {
                n = read(sockfd, line, MAXLINE)) <     //读
                ev.data.ptr = md;     //md为自定义类型，添加数据
                ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket
            {
                struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取数据
                sockfd = md->fd;
                send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr),  );        //发送数据
                ev.data.fd=sockfd;
                ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据
            }
            else
            {
                //其他的处理
            }
        }
    }

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/*

 171 * This structure is stored inside the "private_data" member of the file
 172 * structure and represents the main data structure for the eventpoll
 173 * interface.
 174 */struct eventpoll {

         /* Protect the access to this structure */

         spinlock_t lock;

         /*

 180         * This mutex is used to ensure that files are not removed

 181         * while epoll is using them. This is held during the event

 182         * collection loop, the file cleanup path, the epoll file exit

 183         * code and the ctl operations.

 184         */

         struct mutex mtx;

         /* Wait queue used by sys_epoll_wait() */

         wait_queue_head_t wq;

         /* Wait queue used by file->poll() */

         wait_queue_head_t poll_wait;

         /* List of ready file descriptors */

         struct list_head rdllist;

         /* RB tree root used to store monitored fd structs */

         struct rb_root rbr;//红黑树根节点，这棵树存储着所有添加到epoll中的事件，也就是这个epoll监控的事件

         /*
 200         * This is a single linked list that chains all the "struct epitem" that
 201         * happened while transferring ready events to userspace w/out
 202         * holding ->lock.
 203         */
         struct epitem *ovflist;

         /* wakeup_source used when ep_scan_ready_list is running */
         struct wakeup_source *ws;

         /* The user that created the eventpoll descriptor */
         struct user_struct *user;

         struct file *file;

         /* used to optimize loop detection check */
         int visited;
         struct list_head visited_list_link;//双向链表中保存着将要通过epoll_wait返回给用户的、满足条件的事件
 };

/*
 130 * Each file descriptor added to the eventpoll interface will
 131 * have an entry of this type linked to the "rbr" RB tree.
 132 * Avoid increasing the size of this struct, there can be many thousands
 133 * of these on a server and we do not want this to take another cache line.
 134 */struct epitem {
         /* RB tree node used to link this structure to the eventpoll RB tree */
         struct rb_node rbn;

         /* List header used to link this structure to the eventpoll ready list */
         struct list_head rdllink;

         /*
 143         * Works together "struct eventpoll"->ovflist in keeping the
 144         * single linked chain of items.
 145         */
         struct epitem *next;

         /* The file descriptor information this item refers to */
         struct epoll_filefd ffd;

         /* Number of active wait queue attached to poll operations */
         int nwait;

         /* List containing poll wait queues */
         struct list_head pwqlist;

         /* The "container" of this item */
         struct eventpoll *ep;

         /* List header used to link this item to the "struct file" items list */
         struct list_head fllink;

         /* wakeup_source used when EPOLLWAKEUP is set */
         struct wakeup_source __rcu *ws;

         /* The structure that describe the interested events and the source fd */
         struct epoll_event event;
 };