谈谈Epoll是如何工作的?

朱雀 2023-01-12 12:00 126阅读 0赞

## epoll相关视频解析： ##

[支撑亿级io的底层基石 epoll实战揭秘][io_ epoll]  
[linux多线程之epoll原理剖析与reactor原理及应用][linux_epoll_reactor]  
[epoll的网络模型，从redis、memcached到nginx，一起搞定][epoll_redis_memcached_nginx]

epoll 是Linux平台下的一种特有的多路复用IO实现方式，与传统的 select 相比，epoll 在性能上有很大的提升。

## epoll 的创建 ##

要使用 epoll 首先需要调用 epoll\_create() 函数创建一个 epoll 的句柄，epoll\_create() 函数定义如下：

int epoll_create(int size);

参数 size 是由于历史原因遗留下来的，现在不起作用。当用户调用 epoll\_create() 函数时，会进入到内核空间，并且调用 sys\_epoll\_create() 内核函数来创建 epoll 句柄，sys\_epoll\_create() 函数代码如下：

asmlinkage long sys_epoll_create(int size)
    { 
        int error, fd = -1;
        struct eventpoll *ep;
    
        error = -EINVAL;
        if (size <= 0 || (error = ep_alloc(&ep)) < 0) { 
            fd = error;
            goto error_return;
        }
    
        fd = anon_inode_getfd("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep);
        if (fd < 0)
            ep_free(ep);
    
    error_return:
        return fd;
    }

sys\_epoll\_create() 主要做两件事情：

1.  调用 ep\_alloc() 函数创建并初始化一个 eventpoll 对象。
2.  调用 anon\_inode\_getfd() 函数把 eventpoll 对象映射到一个文件句柄，并返回这个文件句柄。

我们先来看看 eventpoll 这个对象，eventpoll 对象用于管理 epoll 监听的文件列表，其定义如下：

struct eventpoll { 
        ...
        wait_queue_head_t wq;
        ...
        struct list_head rdllist;
        struct rb_root rbr;
        ...
    };

先来说明一下 eventpoll 对象各个成员的作用：

1.  wq: 等待队列，当调用 epoll\_wait(fd) 时会把进程添加到 eventpoll 对象的 wq 等待队列中。
2.  rdllist: 保存已经就绪的文件列表。
3.  rbr: 使用红黑树来管理所有被监听的文件。

下图展示了 eventpoll 对象与被监听的文件关系：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
由于被监听的文件是通过 epitem 对象来管理的，所以上图中的节点都是以 epitem 对象的形式存在的。为什么要使用红黑树来管理被监听的文件呢？这是为了能够通过文件句柄快速查找到其对应的 epitem 对象。红黑树是一种平衡二叉树，如果对其不了解可以查阅相关的文档。

## 向 epoll 添加文件句柄 ##

前面介绍了怎么创建 epoll，接下来介绍一下怎么向 epoll 添加要监听的文件。

通过调用 epoll\_ctl() 函数可以向 epoll 添加要监听的文件，其原型如下：

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

下面说明一下各个参数的作用：  
1、epfd: 通过调用 epoll\_create() 函数返回的文件句柄。  
2、op: 要进行的操作，有3个选项：

*  EPOLL\_CTL\_ADD：表示要进行添加操作。
 *  EPOLL\_CTL\_DEL：表示要进行删除操作。
 *  EPOLL\_CTL\_MOD：表示要进行修改操作

3、fd: 要监听的文件句柄。  
4、event: 告诉内核需要监听什么事。其定义如下：

struct epoll_event { 
        __uint32_t events;  /* Epoll events */
        epoll_data_t data;  /* User data variable */
    };

events 可以是以下几个宏的集合：

*  EPOLLIN ：表示对应的文件句柄可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
 *  EPOLLOUT：表示对应的文件句柄可以写；
 *  EPOLLPRI：表示对应的文件句柄有紧急的数据可读；
 *  EPOLLERR：表示对应的文件句柄发生错误；
 *  EPOLLHUP：表示对应的文件句柄被挂断；
 *  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。

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![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
data 用来保存用户自定义数据。  
epoll\_ctl() 函数会调用 sys\_epoll\_ctl() 内核函数，sys\_epoll\_ctl() 内核函数的实现如下：

asmlinkage long sys_epoll_ctl(int epfd, int op,
        int fd, struct epoll_event __user *event)
    { 
        ...
        file = fget(epfd);
        tfile = fget(fd);
        ...
        ep = file->private_data;
    
        mutex_lock(&ep->mtx);
    
        epi = ep_find(ep, tfile, fd);
    
        error = -EINVAL;
        switch (op) { 
        case EPOLL_CTL_ADD:
            if (!epi) { 
                epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
    
                error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd);
            } else
                error = -EEXIST;
            break;
        ...
        }
        mutex_unlock(&ep->mtx);
    
        ...
        return error;
    }

sys\_epoll\_ctl() 函数会根据传入不同 op 的值来进行不同操作，比如传入 EPOLL\_CTL\_ADD 表示要进行添加操作，那么就调用 ep\_insert() 函数来进行添加操作。

我们继续来分析添加操作 ep\_insert() 函数的实现：

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,
                 struct file *tfile, int fd)
    { 
        ...
        error = -ENOMEM;
        // 申请一个 epitem 对象
        if (!(epi = kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))
            goto error_return;
    
        // 初始化 epitem 对象
        INIT_LIST_HEAD(&epi->rdllink);
        INIT_LIST_HEAD(&epi->fllink);
        INIT_LIST_HEAD(&epi->pwqlist);
        epi->ep = ep;
        ep_set_ffd(&epi->ffd, tfile, fd);
        epi->event = *event;
        epi->nwait = 0;
        epi->next = EP_UNACTIVE_PTR;
    
        epq.epi = epi;
        // 等价于: epq.pt->qproc = ep_ptable_queue_proc
        init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
    
        // 调用被监听文件的 poll 接口.
        // 这个接口又各自文件系统实现, 如socket的话, 那么这个接口就是 tcp_poll().
        revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);
        ...
        ep_rbtree_insert(ep, epi); // 把 epitem 对象添加到epoll的红黑树中进行管理
    
        spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
    
        // 如果被监听的文件已经可以进行对应的读写操作
        // 那么就把文件添加到epoll的就绪队列 rdllink 中, 并且唤醒调用 epoll_wait() 的进程.
        if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) { 
            list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
    
            if (waitqueue_active(&ep->wq))
                wake_up_locked(&ep->wq);
            if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
                pwake++;
        }
    
        spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
        ...
        return 0;
        ...
    }

被监听的文件是通过 epitem 对象进行管理的，也就是说被监听的文件会被封装成 epitem 对象，然后会被添加到 eventpoll 对象的红黑树中进行管理（如上述代码中的 ep\_rbtree\_insert(ep, epi)）。

tfile->f\_op->poll(tfile, &epq.pt) 这行代码的作用是调用被监听文件的 poll() 接口，如果被监听的文件是一个socket句柄，那么就会调用 tcp\_poll()，我们来看看 tcp\_poll() 做了什么操作：

unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)
    { 
        struct sock *sk = sock->sk;
        ...
        poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);
        ...
        return mask;
    }

每个 socket 对象都有个等待队列（waitqueue, 关于等待队列可以参考文章: 等待队列原理与实现），用于存放等待 socket 状态更改的进程。

从上述代码可以知道，tcp\_poll() 调用了 poll\_wait() 函数，而 poll\_wait() 最终会调用 ep\_ptable\_queue\_proc() 函数，ep\_ptable\_queue\_proc() 函数实现如下：

static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file,
        wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt)
    { 
        struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
        struct eppoll_entry *pwq;
    
        if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) { 
            init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
            pwq->whead = whead;
            pwq->base = epi;
            add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
            list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
            epi->nwait++;
        } else { 
            epi->nwait = -1;
        }
    }

ep\_ptable\_queue\_proc() 函数主要工作是把当前 epitem 对象添加到 socket 对象的等待队列中，并且设置唤醒函数为 ep\_poll\_callback()，也就是说，当socket状态发生变化时，会触发调用 ep\_poll\_callback() 函数。ep\_poll\_callback() 函数实现如下：

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key)
    { 
        ...
        // 把就绪的文件添加到就绪队列中
        list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
    
    is_linked:
        // 唤醒调用 epoll_wait() 而被阻塞的进程
        if (waitqueue_active(&ep->wq))
            wake_up_locked(&ep->wq);
        ...
        return 1;
    }

ep\_poll\_callback() 函数的主要工作是把就绪的文件添加到 eventepoll 对象的就绪队列中，然后唤醒调用 epoll\_wait() 被阻塞的进程。

## 等待被监听的文件状态发生改变 ##

把被监听的文件句柄添加到epoll后，就可以通过调用 epoll\_wait() 等待被监听的文件状态发生改变。  
epoll\_wait() 调用会阻塞当前进程，当被监听的文件状态发生改变时，epoll\_wait() 调用便会返回。  
epoll\_wait() 系统调用的原型如下：

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

各个参数的意义：

1.  epfd: 调用 epoll\_create() 函数创建的epoll句柄。
2.  events: 用来存放就绪文件列表。
3.  maxevents: events 数组的大小。
4.  timeout: 设置等待的超时时间。

epoll\_wait() 函数会调用 sys\_epoll\_wait() 内核函数，而 sys\_epoll\_wait() 函数最终会调用 ep\_poll() 函数，我们来看看 ep\_poll() 函数的实现：

static int ep_poll(struct eventpoll *ep,
        struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout)
    { 
        ...
        // 如果就绪文件列表为空
        if (list_empty(&ep->rdllist)) { 
            // 把当前进程添加到epoll的等待队列中
            init_waitqueue_entry(&wait, current);
            wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
            __add_wait_queue(&ep->wq, &wait);
    
            for (;;) { 
                set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 把当前进程设置为睡眠状态
                if (!list_empty(&ep->rdllist) || !jtimeout) // 如果有就绪文件或者超时, 退出循环
                    break;
                if (signal_pending(current)) {  // 接收到信号也要退出
                    res = -EINTR;
                    break;
                }
    
                spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
                jtimeout = schedule_timeout(jtimeout); // 让出CPU, 切换到其他进程进行执行
                spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
            }
            // 有3种情况会执行到这里:
            // 1. 被监听的文件集合中有就绪的文件
            // 2. 设置了超时时间并且超时了
            // 3. 接收到信号
            __remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);
    
            set_current_state(TASK_RUNNING);
        }
        /* 是否有就绪的文件? */
        eavail = !list_empty(&ep->rdllist);
    
        spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
    
        if (!res && eavail
            && !(res = ep_send_events(ep, events, maxevents)) && jtimeout)
            goto retry;
    
        return res;
    }

ep\_poll() 函数主要做以下几件事：  
1、判断被监听的文件集合中是否有就绪的文件，如果有就返回。  
2、如果没有就把当前进程添加到epoll的等待队列中，并且进入睡眠。  
3、进程会一直睡眠直到有以下几种情况发生：

*  被监听的文件集合中有就绪的文件
 *  设置了超时时间并且超时了
 *  接收到信号

4、如果有就绪的文件，那么就调用 ep\_send\_events() 函数把就绪文件复制到 events 参数中。  
5、返回就绪文件的个数。

最后，我们通过一张图来总结epoll的原理：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

下面通过文字来描述一下这个过程：

1.  通过调用 epoll\_create() 函数创建并初始化一个 eventpoll 对象。
2.  通过调用 epoll\_ctl() 函数把被监听的文件句柄 (如socket句柄) 封装成 epitem 对象并且添加到  
    eventpoll 对象的红黑树中进行管理。
3.  通过调用 epoll\_wait() 函数等待被监听的文件状态发生改变。
4.  当被监听的文件状态发生改变时（如socket接收到数据），会把文件句柄对应 epitem 对象添加到 eventpoll 对象的就绪队列 rdllist 中。并且把就绪队列的文件列表复制到 epoll\_wait() 函数的 events 参数中。
5.  唤醒调用 epoll\_wait() 函数被阻塞（睡眠）的进程。

[io_ epoll]: https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7mv/
[linux_epoll_reactor]: https://www.bilibili.com/video/BV1sK411u7tK/
[epoll_redis_memcached_nginx]: https://www.bilibili.com/video/BV1Vi4y177oT/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221119/3a8110f2ac7b41bda5f5de65b4e25181.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwOTg5NzY5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221119/8c02a101408e4943aee720c3640a06d5.png
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