首先说明一下，之前在学redis和Nginx的时候，就频繁看见这两个词汇。这属于多路复用I/O的内容，相对来说比较难理解。之前看到很多什么宿管大妈之类的打比方都只能明白个大概，具体里面是什么情况还是很迷糊。直到今天看到了知乎一位大神的这篇文章如果这篇文章说不清epoll的本质，那就过来掐死我吧！，算是醍醐灌顶了。大概明白了这个过程。然后打算结合其他文章梳理一下，记录一下我的收获。

首先在分析3个IO模型时候，先简单梳理一下流程。当一个网络连接请求到来时候，他会经历以下步骤：

通过硬件传输，网卡接收的数据存放到内存中。操作系统就可以去读取它们。
当网卡把数据写入到内存后，网卡向cpu发出一个中断信号，操作系统便能得知有新数据到来，再通过网卡中断程序去处理数据。值得注意的是，上面的网卡将数据写到内存。但是写到内存和通知cpu来处理，还分两个步骤
等到数据传到kernel内核space（网卡做的）
kernel内核区域将数据复制到user space（理解为进程或者线程的缓冲区）（cpu做的）

而根据这两个阶段而不同的操作方法，就会产生多种io模型。这边分析一下其中2种，分别是select和epoll（poll只是select的一个加强版）。

两种IO模型

阻塞 io 模型 blocking IO

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、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。

下图中的计算机中运行着A、B、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。

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）。这个socket对象包含了发送缓冲区、接收缓冲区、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）。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。

ps：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。也由于socket的接收缓冲区已经有了数据，recv可以返回接收到的数据。

最后，总结一下内核接收网络数据全过程

这一步，贯穿网卡、中断、进程调度的知识，叙述阻塞recv下，内核接收数据全过程。

唤醒进程的过程如下图所示。

我们用io模型角度来分析一下：

如下图所示，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。

以上这个过程，就是最基本的阻塞 io 模型 blocking IO。

应用层有数据过来，会调用recvfrom方法，但是这个时候应用层的数据还没复制到kernel中，将应用层数据复制到kerne这个阶段是需要时间的，所以recvfrom方法会阻塞，当内核中的数据准备好之后，recvfrom方法还不会返回，而是会发起一个系统调用将kernel中的数据复制到进程的缓冲区中，也就是user space，当这个工作完成之后，recvfrom才会返回并解除程序的阻塞。

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的要义是高效的监视多个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。只有先理解了不太高效的方法，才能够理解epoll的本质。那么，我们就要引入一种新的io模型--io多路复用模型 IO multiplexing。

io多路复用模型 IO multiplexing

其中分为3个：

select
poll
epoll

这边主要分析select和epoll：

为方便理解，我们先复习select的用法。在如下的代码中，先准备一个数组（下面代码中的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 < fds.count; 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。

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。

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。

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。

这样，我们就可以管理多个socket了，但是这样做，有以下一些缺点。

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（从 user space把 FD_SET复制到 kernel（约线性时间成本）），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。

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的流程

epoll是在select出现N多年后才被发明的，是select和poll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。如下图所示，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。显而易见的，效率就能得到提升。

为方便理解后续的内容，我们先复习下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。如下图所示，计算机共有三个socket，收到数据的sock2和sock3被rdlist（就绪列表）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。

那么具体流程是怎么样呢？以示例和图表来讲解epoll的原理和流程。

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）。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。(注意，这eventpoll对象是内核创建的，和select在user space的fds不同。)

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，如下图，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。如下图展示的是sock2和sock3收到数据后，中断程序让rdlist引用这两个socket。

eventpoll对象相当于是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。如下图所示，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）。也因为rdlist的存在，进程A可以知道哪些socket发生了变化。

那么，epoll解决的问题是啥呢？

epoll没有fd数量限制：epoll没有这个限制，我们知道每个epoll监听一个fd，所以最大数量与能打开的fd数量有关，一个g的内存的机器上，能打开10万个左右
epoll不需要每次都从user space 将fd set复制到内核kernel：epoll在用epoll_ctl函数进行事件注册的时候，已经将fd复制到内核中，所以不需要每次都重新复制一次
select 和 poll 都是主动轮询机制，需要拜访每一个 FD；epoll是被动触发方式，给fd注册了相应事件的时候，我们为每一个fd指定了一个回调函数，当数据准备好之后，就会把就绪的fd加入一个就绪的队列中，epoll_wait的工作方式实际上就是在这个就绪队列中查看有没有就绪的fd，如果有，就唤醒就绪队列上的等待者，然后调用回调函数。
虽然epoll。poll。epoll都需要查看是否有fd就绪，但是epoll之所以是被动触发，就在于它只要去查找就绪队列中有没有fd，就绪的fd是主动加到队列中，epoll不需要一个个轮询确认。

换一句话讲，就是select和poll只能通知有fd已经就绪了，但不能知道究竟是哪个fd就绪，所以select和poll就要去主动轮询一遍找到就绪的fd。而epoll则是不但可以知道有fd可以就绪，而且还具体可以知道就绪fd的编号，所以直接找到就可以，不用轮询。

（补充）epoll的实现细节

以下会有2个问题：

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

如下图所示，eventpoll包含了lock、mtx、wq（等待队列）、rdlist等成员。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rdllist）。

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。至少要方便的添加和移除，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）。

ps：因为操作系统要兼顾多种功能，以及由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。

Select和epoll