Epoll的本质（内部实现原理）

Posted 2022-11-28 nogos

  从事服务端开发，少不了要接触网络编程。epoll作为linux下高性能网络服务器的必备技术至关重要，nginx、redis、skynet和大部分游戏服务器都使用到这一多路复用技术。

  因为epoll的重要性，在招聘服务端同学时，可能会问及epoll相关的问题。比如epoll和select的区别是什么？epoll高效率的原因是什么？如果只靠背诵，显然不能算上深刻的理解。

文章核心思想

  要让读者清晰明白EPOLL为什么性能好。
  本文会从网卡接收数据的流程讲起，串联起CPU中断、操作系统进程调度等知识；再一步步分析阻塞接收数据、select到epoll的进化过程；最后探究epoll的实现细节。

从网卡接受数据说起

  下图是一个典型的计算机结构图，计算机由CPU、存储器（内存）、网络接口等部件组成。了解epoll本质的第一步，要从硬件的角度看计算机怎样接收网络数据。

  下图展示了网卡接收数据的过程。

在①阶段，网卡收到网线传来的数据；经过②阶段的硬件电路的传输；最终将数据写入到内存中的某个地址上（③阶段）。这个过程涉及到DMA传输、IO通路选择等硬件有关的知识，但我们只需知道：网卡会把接收到的数据写入内存。
  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。

如何知道接受了数据？

  了解epoll本质的第二步，要从CPU的角度来看数据接收。要理解这个问题，要先了解一个概念——中断。

  计算机执行程序时，会有优先级的需求。比如，当计算机收到断电信号时（电容可以保存少许电量，供CPU运行很短的一小段时间），它应立即去保存数据，保存数据的程序具有较高的优先级。

  一般而言，由硬件产生的信号需要cpu立马做出回应（不然数据可能就丢失），所以它的优先级很高。cpu理应中断掉正在执行的程序，去做出响应；当cpu完成对硬件的响应后，再重新执行用户程序。中断的过程如下图，和函数调用差不多。只不过函数调用是事先定好位置，而中断的位置由“信号”决定。

  以键盘为例，当用户按下键盘某个按键时，键盘会给cpu的中断引脚发出一个高电平。cpu能够捕获这个信号，然后执行键盘中断程序。
  现在可以回答本节提出的问题了：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。

进程阻塞为何不占用CPU资源？

  了解epoll本质的第三步，要从操作系统进程调度的角度来看数据接收。阻塞是进程调度的关键一环，指的是进程在等待某事件（如接收到网络数据）发生之前的等待状态，recv、select和epoll都是阻塞方法。了解“进程阻塞为什么不占用cpu资源？”，也就能够了解这一步。
  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。

内核接受网络数据的全过程

  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。
  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。

  唤醒进程的过程如下图所示。

思考

  其一，操作系统如何知道网络数据对应于哪个socket？
  其二，如何同时监视多个socket的数据？

  第一个问题：因为一个socket对应着一个端口号，而网络数据包中包含了ip和端口的信息，内核可以通过端口号找到对应的socket。当然，为了提高处理速度，操作系统会维护端口号到socket的索引结构，以快速读取。

  第二个问题是多路复用的重中之重，是本文后半部分的重点！

同时监听多个socket的简单方法

  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。
  假如能够预先传入一个socket列表，如果列表中的socket都没有数据，挂起进程，直到有一个socket收到数据，唤醒进程。这种方法很直接，也是select的设计思想。
  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。

  这种简单方式行之有效，在几乎所有操作系统都有对应的实现。
  但是简单的方法往往有缺点，主要是：

select的缺点

  其一，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，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。

  其二，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。

  那么，有没有减少遍历的方法？有没有保存就绪socket的方法？这两个问题便是epoll技术要解决的。

epoll的设计思路

  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。

epoll的原理和流程

  本节会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**。

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。

接受数据

  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。

epoll的实现细节

  至此，相信读者对epoll的本质已经有一定的了解。但我们还留有一个问题，eventpoll的数据结构是什么样子？
再留两个问题，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）。

结论

  epoll在select和poll（poll和select基本一样，有少量改进）的基础引入了eventpoll作为中间层，使用了先进的数据结构，是一种高效的多路复用技术。

  再留一点作业！

  下表是个很常见的表，描述了select、poll和epoll的区别。读完本文，读者能否解释select和epoll的时间复杂度为什么是O(n)和O(1)？