前言
epoll全称又叫 event poll，是 Linux 内核提供的一种基于事件回调机制的 I/O 多路复用技术，用于高效处理大量并发的网络连接。它是 Linux 特有的系统调用，在处理高并发场景时性能显著优于传统的 select 和 poll。
何为多路复用？
- 多路：存在多个待服务的对象（甲方）
- 复用：只由一个执行单元提供服务（乙方）
串联起来就是：多路复用是指由一个执行单元，同时对多个对象提供服务，形成一对多的服务关系。
在Linux操作系统中，对 IO 多路复用的概念有着更加明确的定义：
- 多路：存在多个需要监听 I/O event 的 fd（linux 中，一切皆文件，所有事物均可抽象为一个文件句柄 file descriptor，简称 fd）
- 复用：一个自旋的主循环 loop thread（线程是内核视角下的最小调度单位，多路复用通常为循环模型 loop model，因此称为loop thread）不断遍历多个 fd，若有对应的I/O请求到来时，处理读取到的数据。
I/O多路复用的简单实现
BIO模式
通过一个自旋的for循环，环形遍历待执行的fd列表，每轮执行一个，结束才处理下一个，到达列表尾部时，重置回到起点
伪代码
// 多个待服务的 fd
fds = [fd1,fd2,fd3,...]
// 遍历 fd 列表，末尾和首部相连，形成循环
i = 0
for {
// 获取本轮待处理的 fd
fd = fds[i]
// 从 fd 中读数据
data = read(fd)
// 处理数据
handle(data)
// 推进遍历
i++
if i == len(fds){
i = 0
}
}
存在问题：每次从列表中获取一个fd，假如当前处理的某个fd（监听I/O请求），并没有对应的I/O请求时，会陷入阻塞态，会影响后续其它任务，例如其它fd监听有新的I/O请求到了，却无法被正常处理
NIO模式
自旋的for循环中，遍历到某一个 fd 的时候，倘若 io event 已就绪就正常读取，否则就即时返回并抛出一个特定类型的错误，让 loop thread 能够正常执行下去，为其他 fd 提供服务。为了避免CPU控制，可以在前后两次遍历中间sleep一小会。
伪代码
// 多个待服务的 fd
fds = [fd1,fd2,fd3,...]
// 遍历 fd 列表，末尾和首部相连，形成循环
i = 0
for {
// 获取本轮待处理的 fd
fd = fds[i]
// 尝试从 fd 中读数据，失败时不阻塞，而是抛出错误
data,err = tryRead(fd)
// 读取数据成功，处理数据
if err == nil{
handle(data)
}
// 小睡一秒后再推进流程
sleep(1s)
// 推进遍历
i++
if i == len(fds){
i = 0
}
}
存在问题：sleep时长不好把控，太长也会影响新I/O请求到来时，无法及时响应；太短了会导致CPU空转，假如一段时间内fd列表中都没有对应的I/O事件到来，那么这个自旋线程一直在空转。
I/O多路复用的优雅实现
用户态视角下的程序对于I/O事件的到达没能做到准确把控，需要引入操作系统内核的帮助，通过几个内核对外暴露的接口，实现I/O多路复用的优雅实现。
linux 内核提供了三种经典的多路复用技术，是一个持续演化改进的过程： select -> poll -> epoll
poll 在 select 的基础之上做了改进，但治标不治本，优化得不够彻底. 我们核心还是来对比看看 select 和 epoll 之间的共性和差异。
select模型
特点：
- 一次可以处理多个 fd，体现多路. 但 fd 数量有限，最多 1024 个
- loop thread 通过 select 将一组 fd 提交到内核做监听
- 当 fd 中无任何 io event 就绪时，loop thread 会陷入阻塞
- 每当这组 fd 中有 io event 到达时，内核会唤醒 loop thread
- loop thread 无法精准感知到哪些 fd 就绪，需要遍历一轮 fd 列表，逐个判断哪些描述符就绪，进行相应 I/O 操作
- 托付给内核的 fd 列表只具有一轮交互的时效. 新的轮次中，loop thread 需要重新将监听的 fd 列表再传递给内核一次，所以会有反复的内核态和用户态之间数据拷贝的过程
不足：
- fd 文件描述符数量受限
- 线性扫描，效率较低：无论就绪描述符数量多少，用户态都需遍历整个集合，时间复杂度为 O(n)，在高并发场景下性能显著下降
- 内存拷贝开销大：每次调用 select 都需将描述符集合（fd列表）从用户态拷贝到内核态，内核处理完成后再拷贝回用户态，频繁操作时开销明显。
epoll模型
包含三个指令（系统调用）：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait
（1）epoll_create
- 在内核开辟空间，创建一个 epoll 池子用于批量存储管理后续监听I/O请求的 fd，可以通过 epoll_ctl 往池子中增删改 fd。
- linux 内核中，实现 epoll 池的数据结构采用的是红黑树（自平衡二叉查找树），保证了所有增、删、改操作的平均时间复杂度维持在 O(logN) 的对数级水平。
- func epollcreate1(flags int32)
（2）epoll_ctl
- 在某个 epoll 池子中进行一个 fd 的增删改操作，注册、修改或删除对特定文件描述符（fd）的事件监听
- func epollctl(epfd, op, fd int32, ev *epollevent) int32， 通过参数中的 op 枚举指定操作（注册事件、修改事件、删除事件），通过参数中的 ev 指定监听的回调事件类型
（3）epoll_wait
- 等待事件发生，如果池子里fd当中所设置的回调事件发生了，loop thread会被唤醒，否则陷入阻塞
- func epollwait(epfd int32, ev *epollevent, nev, timeout int32) int32
- 当事件发生时，从参数指定中就可以直接关联到对应的fd信息了，不需要再像select那样遍历一轮 fd 列表，逐个判断是哪些描述符就绪了
特点：
- 每次处理的 fd 数量理论无上限
- loop thread 通过 epoll_create 操作创建一个 epoll 池子
- loop thread 通过 epoll_ctl 每次将一个待监听的 fd 添加到 epoll 池中。
- 相比select，epoll 通过将创建池子和增删改 fd两个操作解耦，内核通过
mmap机制共享内存，能复用池子里fd的数据，不用每次都重新进行内核态/用户态之间的拷贝，前提就是提前申请好了一个池子存放着。mmap是操作系统内核提供的一个方法，可以将内核空间的缓冲区映射到用户空间。原理是把磁盘文件映射到内存，用户通过修改内存就可以修改磁盘文件，使用这种方式可以获得很大的I/O提升，省去了用户空间到内核空间的复制开销
- 每当 fd 列表中有 fd 就绪事件到达时，会唤醒 loop thread. 同时内核会将处于就绪态的 fd 直接告知 loop thread，相比select，减少了一次额外遍历的操作，时间复杂度由 O(N) 优化到 O(1)
epoll的两种工作模式：
- 水平触发（Level Triggered, LT，默认模式）：只要文件描述符处于就绪状态（如可读），epoll_wait 就会不断返回该事件。前向兼容 select/poll
- 边缘触发（Edge Triggered, ET）：仅在文件描述符状态变化（如从无数据变为有数据）时触发一次事件。减少事件触发次数，性能更高。 但必须一次性处理完所有数据，否则未处理的数据不会再次通知。
小结
| 特性 | select | poll | epoll |
|---|---|---|---|
| 最大连接数 | 有上限，通常最多1024个 | 理论无上限 | 理论无上限 |
| 事件检测机制 | 轮询 O(N) | 轮询 O(N) | 事件驱动 O(1) |
| 数据拷贝 | 每次调用都需要复制fd列表 | 每次调用都需要复制fd列表 | 仅在注册一个fd时复制一次，存放在池子里 |
| 工作模式 | 仅支持水平触发 | 仅支持水平触发 | 支持水平触发和边缘触发 |
| 适用场景 | 少量连接，事件发生频繁，实现简单 | 中等量连接 | 适合处理万级以上的并发连接（如 Nginx、Redis 等高性能服务器） |
