面试必问的epoll技术，从内核源码出发彻底搞懂epoll

Posted 2023-04-02

参考技术A

epoll是linux中IO多路复用的一种机制，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。当然linux中IO多路复用不仅仅是epoll，其他多路复用机制还有select、poll，但是接下来介绍epoll的内核实现。

events可以是以下几个宏的集合：

epoll相比select/poll的优势 ：

epoll相关的内核代码在fs/eventpoll.c文件中，下面分别分析epoll_create、epoll_ctl和epoll_wait三个函数在内核中的实现，分析所用linux内核源码为4.1.2版本。

epoll_create用于创建一个epoll的句柄，其在内核的系统实现如下：

sys_epoll_create:

可见，我们在调用epoll_create时，传入的size参数，仅仅是用来判断是否小于等于0，之后再也没有其他用处。
整个函数就3行代码，真正的工作还是放在sys_epoll_create1函数中。

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1:

sys_epoll_create1 函数流程如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc:

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc -> get_unused_fd_flags:

linux内核中，current是个宏，返回的是一个task_struct结构（我们称之为进程描述符）的变量，表示的是当前进程，进程打开的文件资源保存在进程描述符的files成员里面，所以current->files返回的当前进程打开的文件资源。rlimit(RLIMIT_NOFILE) 函数获取的是当前进程可以打开的最大文件描述符数，这个值可以设置，默认是1024。

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__alloc_fd的工作是为进程在[start,end)之间(备注：这里start为0， end为进程可以打开的最大文件描述符数)分配一个可用的文件描述符,这里就不继续深入下去了，代码如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> ep_alloc -> get_unused_fd_flags -> __alloc_fd:

然后，epoll_create1会调用anon_inode_getfile，创建一个file结构，如下：

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> anon_inode_getfile:

anon_inode_getfile函数中首先会alloc一个file结构和一个dentry结构，然后将该file结构与一个匿名inode节点anon_inode_inode挂钩在一起，这里要注意的是，在调用anon_inode_getfile函数申请file结构时，传入了前面申请的eventpoll结构的ep变量，申请的file->private_data会指向这个ep变量，同时，在anon_inode_getfile函数返回来后，ep->file会指向该函数申请的file结构变量。

简要说一下file/dentry/inode，当进程打开一个文件时，内核就会为该进程分配一个file结构，表示打开的文件在进程的上下文，然后应用程序会通过一个int类型的文件描述符来访问这个结构，实际上内核的进程里面维护一个file结构的数组，而文件描述符就是相应的file结构在数组中的下标。

dentry结构（称之为“目录项”）记录着文件的各种属性，比如文件名、访问权限等，每个文件都只有一个dentry结构，然后一个进程可以多次打开一个文件，多个进程也可以打开同一个文件，这些情况，内核都会申请多个file结构，建立多个文件上下文。但是，对同一个文件来说，无论打开多少次，内核只会为该文件分配一个dentry。所以，file结构与dentry结构的关系是多对一的。

同时，每个文件除了有一个dentry目录项结构外，还有一个索引节点inode结构，里面记录文件在存储介质上的位置和分布等信息，每个文件在内核中只分配一个inode。 dentry与inode描述的目标是不同的，一个文件可能会有好几个文件名（比如链接文件），通过不同文件名访问同一个文件的权限也可能不同。dentry文件所代表的是逻辑意义上的文件，记录的是其逻辑上的属性，而inode结构所代表的是其物理意义上的文件，记录的是其物理上的属性。dentry与inode结构的关系是多对一的关系。

sys_epoll_create -> sys_epoll_create1 -> fd_install:

总结epoll_create函数所做的事：调用epoll_create后，在内核中分配一个eventpoll结构和代表epoll文件的file结构，并且将这两个结构关联在一块，同时，返回一个也与file结构相关联的epoll文件描述符fd。当应用程序操作epoll时，需要传入一个epoll文件描述符fd，内核根据这个fd，找到epoll的file结构，然后通过file，获取之前epoll_create申请eventpoll结构变量，epoll相关的重要信息都存储在这个结构里面。接下来，所有epoll接口函数的操作，都是在eventpoll结构变量上进行的。

所以，epoll_create的作用就是为进程在内核中建立一个从epoll文件描述符到eventpoll结构变量的通道。

epoll_ctl接口的作用是添加/修改/删除文件的监听事件，内核代码如下：

sys_epoll_ctl:

根据前面对epoll_ctl接口的介绍，op是对epoll操作的动作（添加/修改/删除事件），ep_op_has_event(op)判断是否不是删除操作，如果op != EPOLL_CTL_DEL为true，则需要调用copy_from_user函数将用户空间传过来的event事件拷贝到内核的epds变量中。因为，只有删除操作，内核不需要使用进程传入的event事件。

接着连续调用两次fdget分别获取epoll文件和被监听文件（以下称为目标文件）的file结构变量（备注：该函数返回fd结构变量，fd结构包含file结构）。

接下来就是对参数的一些检查，出现如下情况，就可以认为传入的参数有问题，直接返回出错：

当然下面还有一些关于操作动作如果是添加操作的判断，这里不做解释，比较简单，自行阅读。

在ep里面，维护着一个红黑树，每次添加注册事件时，都会申请一个epitem结构的变量表示事件的监听项，然后插入ep的红黑树里面。在epoll_ctl里面，会调用ep_find函数从ep的红黑树里面查找目标文件表示的监听项，返回的监听项可能为空。

接下来switch这块区域的代码就是整个epoll_ctl函数的核心，对op进行switch出来的有添加(EPOLL_CTL_ADD)、删除(EPOLL_CTL_DEL)和修改(EPOLL_CTL_MOD)三种情况，这里我以添加为例讲解，其他两种情况类似，知道了如何添加监听事件，其他删除和修改监听事件都可以举一反三。

为目标文件添加监控事件时，首先要保证当前ep里面还没有对该目标文件进行监听，如果存在(epi不为空)，就返回-EEXIST错误。否则说明参数正常，然后先默认设置对目标文件的POLLERR和POLLHUP监听事件，然后调用ep_insert函数，将对目标文件的监听事件插入到ep维护的红黑树里面：

sys_epoll_ctl -> ep_insert:

前面说过，对目标文件的监听是由一个epitem结构的监听项变量维护的，所以在ep_insert函数里面，首先调用kmem_cache_alloc函数，从slab分配器里面分配一个epitem结构监听项，然后对该结构进行初始化，这里也没有什么好说的。我们接下来看ep_item_poll这个函数调用：

sys_epoll_ctl -> ep_insert -> ep_item_poll:

ep_item_poll函数里面，调用目标文件的poll函数，这个函数针对不同的目标文件而指向不同的函数，如果目标文件为套接字的话，这个poll就指向sock_poll，而如果目标文件为tcp套接字来说，这个poll就是tcp_poll函数。虽然poll指向的函数可能会不同，但是其作用都是一样的，就是获取目标文件当前产生的事件位，并且将监听项绑定到目标文件的poll钩子里面（最重要的是注册ep_ptable_queue_proc这个poll callback回调函数），这步操作完成后，以后目标文件产生事件就会调用ep_ptable_queue_proc回调函数。

接下来，调用list_add_tail_rcu将当前监听项添加到目标文件的f_ep_links链表里面，该链表是目标文件的epoll钩子链表，所有对该目标文件进行监听的监听项都会加入到该链表里面。

然后就是调用ep_rbtree_insert，将epi监听项添加到ep维护的红黑树里面,这里不做解释，代码如下：

sys_epoll_ctl -> ep_insert -> ep_rbtree_insert:

前面提到，ep_insert有调用ep_item_poll去获取目标文件产生的事件位，在调用epoll_ctl前这段时间，可能会产生相关进程需要监听的事件，如果有监听的事件产生，(revents & event->events 为 true)，并且目标文件相关的监听项没有链接到ep的准备链表rdlist里面的话，就将该监听项添加到ep的rdlist准备链表里面，rdlist链接的是该epoll描述符监听的所有已经就绪的目标文件的监听项。并且，如果有任务在等待产生事件时，就调用wake_up_locked函数唤醒所有正在等待的任务，处理相应的事件。当进程调用epoll_wait时，该进程就出现在ep的wq等待队列里面。接下来讲解epoll_wait函数。

总结epoll_ctl函数：该函数根据监听的事件，为目标文件申请一个监听项，并将该监听项挂人到eventpoll结构的红黑树里面。

epoll_wait等待事件的产生，内核代码如下：

sys_epoll_wait:

首先是对进程传进来的一些参数的检查：

参数全部检查合格后，接下来就调用ep_poll函数进行真正的处理：

sys_epoll_wait -> ep_poll:

ep_poll中首先是对等待时间的处理，timeout超时时间以ms为单位，timeout大于0，说明等待timeout时间后超时，如果timeout等于0，函数不阻塞，直接返回，小于0的情况，是永久阻塞，直到有事件产生才返回。

当没有事件产生时（(!ep_events_available(ep))为true）,调用__add_wait_queue_exclusive函数将当前进程加入到ep->wq等待队列里面，然后在一个无限for循环里面，首先调用set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)，将当前进程设置为可中断的睡眠状态，然后当前进程就让出cpu，进入睡眠，直到有其他进程调用wake_up或者有中断信号进来唤醒本进程，它才会去执行接下来的代码。

如果进程被唤醒后，首先检查是否有事件产生，或者是否出现超时还是被其他信号唤醒的。如果出现这些情况，就跳出循环，将当前进程从ep->wp的等待队列里面移除，并且将当前进程设置为TASK_RUNNING就绪状态。

如果真的有事件产生，就调用ep_send_events函数，将events事件转移到用户空间里面。

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events:

ep_send_events没有什么工作，真正的工作是在ep_scan_ready_list函数里面：

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events -> ep_scan_ready_list:

ep_scan_ready_list首先将ep就绪链表里面的数据链接到一个全局的txlist里面，然后清空ep的就绪链表，同时还将ep的ovflist链表设置为NULL，ovflist是用单链表，是一个接受就绪事件的备份链表，当内核进程将事件从内核拷贝到用户空间时，这段时间目标文件可能会产生新的事件，这个时候，就需要将新的时间链入到ovlist里面。

仅接着，调用sproc回调函数(这里将调用ep_send_events_proc函数)将事件数据从内核拷贝到用户空间。

sys_epoll_wait -> ep_poll -> ep_send_events -> ep_scan_ready_list -> ep_send_events_proc:

ep_send_events_proc回调函数循环获取监听项的事件数据，对每个监听项，调用ep_item_poll获取监听到的目标文件的事件，如果获取到事件，就调用__put_user函数将数据拷贝到用户空间。

回到ep_scan_ready_list函数，上面说到，在sproc回调函数执行期间，目标文件可能会产生新的事件链入ovlist链表里面，所以，在回调结束后，需要重新将ovlist链表里面的事件添加到rdllist就绪事件链表里面。

同时在最后，如果rdlist不为空（表示是否有就绪事件），并且由进程等待该事件，就调用wake_up_locked再一次唤醒内核进程处理事件的到达（流程跟前面一样，也就是将事件拷贝到用户空间）。

到这，epoll_wait的流程是结束了，但是有一个问题，就是前面提到的进程调用epoll_wait后会睡眠，但是这个进程什么时候被唤醒呢？在调用epoll_ctl为目标文件注册监听项时，对目标文件的监听项注册一个ep_ptable_queue_proc回调函数，ep_ptable_queue_proc回调函数将进程添加到目标文件的wakeup链表里面，并且注册ep_poll_callbak回调，当目标文件产生事件时，ep_poll_callbak回调就去唤醒等待队列里面的进程。

总结一下epoll该函数： epoll_wait函数会使调用它的进程进入睡眠（timeout为0时除外），如果有监听的事件产生，该进程就被唤醒，同时将事件从内核里面拷贝到用户空间返回给该进程。

一文彻底搞懂面试中常问的各种“锁”

前言

 

锁，顾名思义就是锁住一些资源，当只有我们拿到钥匙的时候，才能操作锁住的资源。在我们的Java，数据库，还有一些分布式的环境中，总是充斥着各种各样的锁让人头疼，例如“公平锁”、“自旋锁”、“读写锁”、“分布式锁”等等。

 

其实真实的情况是，锁并没有那么多，很多概念只是从不同的功能特性，设计，以及锁的状态这些不同的侧重点来说明的，因此我们可以根据不同的分类来搞明白为什么会有这些“锁”？坐稳扶好了，准备开车。

 

正文

 

“公平锁”与“非公平锁”

 

• 公平锁:指线程在等待获取同一个锁的时候，是严格按照申请锁的时间顺序来进行的，这就意味着在程序正常运作的时候，不会有线程执行不到，而被“饿死”，但是也需要额外的机制来维护这种顺序，所以效率相对于非公平锁会差点。

   

• 非公平锁：概念跟“公平锁”恰恰相反，随机线程获取锁，相率相对高。

 

new ReentrantLock(); //默认非公平锁
new ReentrantLock(true); //公平锁

 

 

“重入锁(递归锁)”与“不可重入锁（自旋锁）”

 

这里要注意了，重入/递归，不可重入/自旋，虽然名字不同，但是确实是同一种锁，只是从锁的表现跟实现方式的角度来命名而已。

 

重入锁：当一个线程获取了A锁以后，若后续方法运行被A锁锁住的话，当前线程也是可以直接进入的。

 

public class Demo {
  private Lock lockA;
 
  public Demo(Lock Lock) {
    this.lockA = lock;
  }
 
  public void methodA() {
    lockA.lock();
    methodB();
    lockA.unlock();
  }
 
  public void methodB() {
    lockA.lock();
    //dosm
    lockA.unlock();
  }
  }

当我们运行methodA()的时候，线程获取了lockA，然后调用methodB()的时候发现也需要lockA，由于这是一个可重入锁，所以当前线程也是可以直接进入的。在java中，synchronized跟ReetrantLock都是可重入锁。

 

不可重入锁：以上面的代码实例来说明，就是methodA进入methodB的时候不能直接获取锁，必须先调用unLock释放锁。才能执行下去，那实现不可重入锁有什么方式呢？那就是自旋，所以会有一个小名叫做自旋锁。

 

public class SpinLock {

  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

  public void lock(){
    Thread current = Thread.currentThread();
    while(!sign .compareAndSet(null, current)){
    }
  }

  public void unlock (){
    Thread current = Thread.currentThread();
    sign .compareAndSet(current, null);
  }
}

 

 “悲观锁”与“乐观锁”

 

这两种锁呢，其实是一个很宏观的分类，它不是一种具体的锁，而是泛指看待并发的程度。

 

悲观锁：有一个“悲观”的心态，既每次取数据的时候，都会认为该数据会被修改，所以必须加一把锁才安心。

 

乐观锁：乐观的孩子，认为同一个数据不会发生并发操作的行为，所以取的时候不会加锁，只有在更新的时候，会通过例如版本号之类的来判断是否数据被修改了。

 

Java中各种锁其实都是悲观锁的实现，既操作的数据的都会被获取锁的线程锁住，而乐观锁的话，一般是通过cas（compare and swap）的思想来实现，例如一些原子类AtomicInteger使用自旋来原子更新。

 

“共享锁”与“排他锁”

 

这两种锁的概念比较多的出现在数据库的事务当中。

 

共享锁：也称读锁或S锁。如果事务对数据A加上共享锁后，则其他事务只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获准共享锁的事务只能读数据，不能修改数据。在java中的ReetrantReadWriteLock()也是如此。

 

排它锁：也称独占锁、写锁或X锁。如果事务对数据A加上排它锁后，则其他事务不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的事务即能读数据又能修改数据。

 

分布式锁

我们上面聊的这些锁，都是在单个程序上面的不同线程之间来实现的，那么当我们的不同程序需要去竞争同一块资源的时候，这就需要分布式锁了，我们可以通过redis、zookeeper等中间件来实现分布式锁。

 

对于锁来说，其实还有偏向锁，轻量级锁等，但是这里涉及到的内容就比较多，这里就不在展开篇幅介绍了，有兴趣的同学可自行研究，如果你能搞懂上面介绍的这些锁，那基本上在绝大部分的公司关于“锁”的问题都可以迎刃而解。