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十個問題理解Linux epoll工作原理

作者：騰訊技術(shù)工程
開發(fā) 開發(fā)工具
epoll 是 linux 特有的一個 I/O 事件通知機(jī)制。很久以來對 epoll 如何能夠高效處理數(shù)以百萬記的文件描述符很有興趣。近期學(xué)習(xí)、研究了 epoll 源碼，在這個過程中關(guān)于 epoll 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和作者的實(shí)現(xiàn)思路產(chǎn)生出不少疑惑，在此總結(jié)為了 10 個問題并逐個加以解答和分析。

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epoll 是 linux 特有的一個 I/O 事件通知機(jī)制。很久以來對 epoll 如何能夠高效處理數(shù)以百萬記的文件描述符很有興趣。近期學(xué)習(xí)、研究了 epoll 源碼，在這個過程中關(guān)于 epoll 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和作者的實(shí)現(xiàn)思路產(chǎn)生出不少疑惑，在此總結(jié)為了 10 個問題并逐個加以解答和分析。本文基于的內(nèi)核源碼版本是2.6.39 版本 。

Question 1：是否所有的文件類型都可以被 epoll 監(jiān)視?

答案：不是?？聪旅孢@個實(shí)驗(yàn)代碼：

  1. #include <stdio.h> 
  2. #include <unistd.h> 
  3. #include <sys/epoll.h> 
  4. #include <stdlib.h> 
  5. #include <sys/types.h> 
  6. #include <sys/stat.h> 
  7. #include <fcntl.h> 
  8. #include <errno.h> 
  9.  
  10. #define MAX_EVENTS 1 
  11.  
  12. int main (void) 
  13. { 
  14.     int epfd; 
  15.     epfd = epoll_create(100); /* 創(chuàng)建epoll實(shí)例，預(yù)計(jì)監(jiān)聽100個fd */ 
  16.     if (epfd < 0) { 
  17.         perror ("epoll_create"); 
  18.     } 
  19.  
  20.     struct epoll_event *events; 
  21.     int nr_events, i; 
  22.     events = malloc (sizeof (struct epoll_event) * MAX_EVENTS); 
  23.     if (!events) { 
  24.         perror("malloc"); 
  25.         return 1; 
  26.     } 
  27.  
  28.     /* 打開一個普通文本文件 */ 
  29.     int target_fd = open ("./11.txt", O_RDONLY); 
  30.     printf("target_fd %d\n", target_fd); 
  31.     int target_listen_type = EPOLLIN; 
  32.     for (i = 0; i < 1; i++) { 
  33.         int ret; 
  34.         events[i].data.fd = target_fd; /* epoll調(diào)用返回后，返回給應(yīng)用進(jìn)程的fd號 */ 
  35.         events[i].events = target_listen_type; /* 需要監(jiān)聽的事件類型 */ 
  36.         ret = epoll_ctl (epfd, EPOLL_CTL_ADD, target_fd, &events[i]); /* 注冊fd到epoll實(shí)例上 */ 
  37.         if (ret) { 
  38.      printf("ret %d, errno %d\n", ret, errno); 
  39.             perror ("epoll_ctl"); 
  40.         } 
  41.     } 
  42.  
  43.     /* 應(yīng)用進(jìn)程阻塞在epoll上，超時時長置為-1表示一直等到有目標(biāo)事件才會返回 */ 
  44.     nr_events = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1); 
  45.     if (nr_events < 0) { 
  46.         perror ("epoll_wait"); 
  47.         free(events); 
  48.         return 1; 
  49.     } 
  50.     for (i = 0; i < nr_events; i++) { 
  51.         /* 打印出處于就緒狀態(tài)的fd及其事件 */ 
  52.         printf("event=%d on fd=%d\n", events[i].events, events[i].data.fd); 
  53.     } 
  54.     free (events); 
  55.     close(epfd); 
  56.     return 0; 
  57. } 

編譯、運(yùn)行上面的代碼，會打印出下列信息：

  1. gcc epoll_test.c -o epdemo 
  2. ./epdemo 
  3. target_fd 4 
  4. ret -1, errno 1 
  5. epoll_ctl: Operation not permitted 

正常打開了"txt"文件 fd=4, 但調(diào)用 epoll_ctl 監(jiān)視這個 fd 時卻 ret=-1 失敗了, 并且錯誤碼為 1，錯誤信息為"Operation not permitted"。錯誤碼指明這個 fd 不能夠被 epoll 監(jiān)視。

那什么樣的 fd 才可以被 epoll 監(jiān)視呢?

只有底層驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了 file_operations 中 poll 函數(shù)的文件類型才可以被 epoll 監(jiān)視!socket 類型的文件驅(qū)動是實(shí)現(xiàn)了 poll 函數(shù)的，因此才可以被 epoll 監(jiān)視。struct file_operations 聲明位置是在 include/linux/fs.h 中。

Question 2：ep->wq 的作用是什么?

答案：wq 是一個等待隊(duì)列，用來保存對某一個 epoll 實(shí)例調(diào)用 epoll_wait()的所有進(jìn)程。

一個進(jìn)程調(diào)用 epoll_wait()后，如果當(dāng)前還沒有任何事件發(fā)生，需要讓當(dāng)前進(jìn)程掛起等待(放到 ep->wq 里);當(dāng) epoll 實(shí)例監(jiān)視的文件上有事件發(fā)生后，需要喚醒 ep->wq 上的進(jìn)程去繼續(xù)執(zhí)行用戶態(tài)的業(yè)務(wù)邏輯。之所以要用一個等待隊(duì)列來維護(hù)關(guān)注這個 epoll 的進(jìn)程，是因?yàn)橛袝r候調(diào)用 epoll_wait()的不只一個進(jìn)程，當(dāng)多個進(jìn)程都在關(guān)注同一個 epoll 實(shí)例時，休眠的進(jìn)程們通過這個等待隊(duì)列就可以逐個被喚醒了。

多個進(jìn)程關(guān)注同一個 epoll 實(shí)例，那么有事件發(fā)生后先喚醒誰?后喚醒誰?還是一起全喚醒?這涉及到一個稱為“驚群效應(yīng)”的問題。

Question 3：什么是 epoll 驚群?

答案：多個進(jìn)程等待在 ep->wq 上，事件觸發(fā)后所有進(jìn)程都被喚醒，但只有其中 1 個進(jìn)程能夠成功繼續(xù)執(zhí)行的現(xiàn)象。其他被白白喚起的進(jìn)程等于做了無用功，可能會造成系統(tǒng)負(fù)載過高的問題。下面這段代碼能夠直觀感受什么是 epoll 驚群：

  1. #include <sys/types.h> 
  2. #include <sys/socket.h> 
  3. #include <sys/epoll.h> 
  4. #include <netdb.h> 
  5. #include <string.h> 
  6. #include <stdio.h> 
  7. #include <unistd.h> 
  8. #include <fcntl.h> 
  9. #include <stdlib.h> 
  10. #include <errno.h> 
  11. #include <sys/wait.h> 
  12. #define PROCESS_NUM 10 
  13. static int create_and_bind (char *port) 
  14. { 
  15.     int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
  16.     struct sockaddr_in serveraddr; 
  17.     serveraddr.sin_family = AF_INET; 
  18.     serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
  19.     serveraddr.sin_port = htons(atoi(port)); 
  20.     bind(fd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr)); 
  21.     return fd; 
  22. } 
  23.  
  24. static int make_socket_non_blocking (int sfd) 
  25. { 
  26.     int flags, s; 
  27.  
  28.     flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0); 
  29.     if (flags == -1) 
  30.     { 
  31.         perror ("fcntl"); 
  32.         return -1; 
  33.     } 
  34.  
  35.     flags |= O_NONBLOCK; 
  36.     s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags); 
  37.     if (s == -1) 
  38.     { 
  39.         perror ("fcntl"); 
  40.         return -1; 
  41.     } 
  42.  
  43.     return 0; 
  44. } 
  45.  
  46. #define MAXEVENTS 64 
  47.  
  48. int main (int argc, char *argv[]) 
  49. { 
  50.     int sfd, s; 
  51.     int efd; 
  52.     struct epoll_event event; 
  53.     struct epoll_event *events; 
  54.  
  55.     sfd = create_and_bind("8001"); 
  56.     if (sfd == -1) 
  57.         abort (); 
  58.  
  59.     s = make_socket_non_blocking (sfd); 
  60.     if (s == -1) 
  61.         abort (); 
  62.  
  63.     s = listen(sfd, SOMAXCONN); 
  64.     if (s == -1) 
  65.     { 
  66.         perror ("listen"); 
  67.         abort (); 
  68.     } 
  69.  
  70.     efd = epoll_create(MAXEVENTS); 
  71.     if (efd == -1) 
  72.     { 
  73.         perror("epoll_create"); 
  74.         abort(); 
  75.     } 
  76.  
  77.     event.data.fd = sfd; 
  78.     //event.events = EPOLLIN | EPOLLET; 
  79.     event.events = EPOLLIN; 
  80.     s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event); 
  81.     if (s == -1) 
  82.     { 
  83.         perror("epoll_ctl"); 
  84.         abort(); 
  85.     } 
  86.  
  87.     /* Buffer where events are returned */ 
  88.     events = calloc(MAXEVENTS, sizeof event); 
  89.     int k; 
  90.     for(k = 0; k < PROCESS_NUM; k++) 
  91.     { 
  92.         int pid = fork(); 
  93.         if(pid == 0) 
  94.         { 
  95.  
  96.             /* The event loop */ 
  97.             while (1) 
  98.             { 
  99.                 int n, i; 
  100.                 n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -1); 
  101.                 printf("process %d return from epoll_wait!\n", getpid()); 
  102.              for (i = 0; i < n; i++) 
  103.                 { 
  104.                     if ((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || (!(events[i].events & EPOLLIN))) 
  105.                     { 
  106.                         /* An error has occured on this fd, or the socket is not ready for reading (why were we notified then?) */ 
  107.                         fprintf (stderr, "epoll error\n"); 
  108.                         close (events[i].data.fd); 
  109.                         continue; 
  110.                     } 
  111.                     else if (sfd == events[i].data.fd) 
  112.                     { 
  113.                         /* We have a notification on the listening socket, which means one or more incoming connections. */ 
  114.                         struct sockaddr in_addr; 
  115.                         socklen_t in_len; 
  116.                         int infd; 
  117.                         char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV]; 
  118.  
  119.                         in_len = sizeof in_addr; 
  120.                         infd = accept(sfd, &in_addr, &in_len); 
  121.                         if (infd == -1) 
  122.                         { 
  123.                             printf("process %d accept failed!\n", getpid()); 
  124.                             break; 
  125.                         } 
  126.                         printf("process %d accept successed!\n", getpid()); 
  127.  
  128.                         /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the list of fds to monitor. */ 
  129.                         close(infd); 
  130.                     } 
  131.                 } 
  132.             } 
  133.         } 
  134.     } 
  135.     int status; 
  136.     wait(&status); 
  137.     free (events); 
  138.     close (sfd); 
  139.     return EXIT_SUCCESS; 
  140. } 

將服務(wù)端的監(jiān)聽 socket fd 加入到 epoll_wait 的監(jiān)視集合中，這樣當(dāng)有客戶端想要建立連接，就會事件觸發(fā) epoll_wait 返回。此時如果 10 個進(jìn)程同時在 epoll_wait 同一個 epoll 實(shí)例就出現(xiàn)了驚群效應(yīng)。所有 10 個進(jìn)程都被喚起，但只有一個能成功 accept。

為了解決 epoll 驚群，內(nèi)核后續(xù)的高版本又提供了 EPOLLEXCLUSIVE 選項(xiàng)和 SO_REUSEPORT 選項(xiàng)，我個人理解兩種解決方案思路上的不同點(diǎn)在于：EPOLLEXCLUSIVE 是在喚起進(jìn)程階段起作用，只喚起排在隊(duì)列最前面的 1 個進(jìn)程;而 SO_REUSEPORT 是在分配連接時起作用，相當(dāng)于每個進(jìn)程自己都有一個獨(dú)立的 epoll 實(shí)例，內(nèi)核來決策把連接分配給哪個 epoll。

Question 4：ep->poll_wait 的作用是什么?

答案：ep->poll_wait 是 epoll 實(shí)例中另一個等待隊(duì)列。當(dāng)被監(jiān)視的文件是一個 epoll 類型時，需要用這個等待隊(duì)列來處理遞歸喚醒。

在閱讀內(nèi)核代碼過程中，ep->wq 還算挺好理解，但我發(fā)現(xiàn)伴隨著 ep->wq 喚醒， 還有一個 ep->poll_wait 的喚醒過程。比如下面這段代碼，在 eventpoll.c 中出現(xiàn)了很多次：

  1. /* If the file is already "ready" we drop it inside the ready list */ 
  2.     if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) { 
  3.         list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); 
  4.  
  5.         /* Notify waiting tasks that events are available */ 
  6.         if (waitqueue_active(&ep->wq)) 
  7.             wake_up_locked(&ep->wq); 
  8.         if (waitqueue_active(&ep->poll_wait)) 
  9.             pwake++; 
  10.     } 
  11.  
  12.     spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags); 
  13.  
  14.     atomic_long_inc(&ep->user->epoll_watches); 
  15.  
  16.     /* We have to call this outside the lock */ 
  17.     if (pwake) 
  18.         ep_poll_safewake(&ep->poll_wait); 

查閱很多資料后才搞明白其實(shí) epoll 也是一種文件類型，其底層驅(qū)動也實(shí)現(xiàn)了 file_operations 中的 poll 函數(shù)，因此一個 epoll 類型的 fd 可以被其他 epoll 實(shí)例監(jiān)視。而 epoll 類型的 fd 只會有“讀就緒”的事件。當(dāng) epoll 所監(jiān)視的非 epoll 類型文件有“讀就緒”事件時，當(dāng)前 epoll 也會進(jìn)入“讀就緒”狀態(tài)。

因此如果一個 epoll 實(shí)例監(jiān)視了另一個 epoll 就會出現(xiàn)遞歸。舉個例子，如圖所示：

epollfd1 監(jiān)視了 2 個“非 epoll”類型的 fd

epollfd2 監(jiān)視了 epollfd1 和 2 個“非 epoll”類型的 fd

如果 epollfd1 所監(jiān)視的 2 個 fd 中有可讀事件觸發(fā)，fd 的 ep_poll_callback 回調(diào)函數(shù)會觸發(fā)將 fd 放到 epollfd1 的 rdllist 中。此時 epollfd1 本身的可讀事件也會觸發(fā)，就需要從 epollfd1 的 poll_wait 等待隊(duì)列中找到 epollfd2，調(diào)用 epollfd1 的 ep_poll_callback(將 epollfd1 放到 epollfd2 的 rdllist 中)。因此 ep->poll_wait 是用來處理 epoll 間嵌套監(jiān)視的情況的。

Question 5：ep->rdllist 的作用是什么?

答案：epoll 實(shí)例中包含就緒事件的 fd 組成的鏈表。

通過掃描 ep->rdllist 鏈表，內(nèi)核可以輕松獲取當(dāng)前有事件觸發(fā)的 fd。而不是像 select()/poll() 那樣全量掃描所有被監(jiān)視的 fd，再從中找出有事件就緒的。因此可以說這一點(diǎn)決定了 epoll 的性能是遠(yuǎn)高于 select/poll 的。

看到這里你可能又產(chǎn)生了一個小小的疑問：為什么 epoll 中事件就緒的 fd 會“主動”跑到 rdllist 中去，而不用全量掃描就能找到它們呢? 這是因?yàn)槊慨?dāng)調(diào)用 epoll_ctl 新增一個被監(jiān)視的 fd 時，都會注冊一下這個 fd 的回調(diào)函數(shù) ep_poll_callback， 當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包會觸發(fā)一個中斷，中斷處理函數(shù)再回調(diào) ep_poll_callback 將這個 fd 所屬的“epitem”添加至 epoll 實(shí)例中的 rdllist 中。

Question 6：ep->ovflist 的作用是什么?

答案：在 rdllist 被占用時，用來在不持有 ep->lock 的情況下收集有就緒事件的 fd。

當(dāng) epoll 上已經(jīng)有了一些就緒事件的時候，內(nèi)核需要掃描 rdllist 將就緒的 fd 返回給用戶態(tài)。這一步通過 ep_scan_ready_list 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中 sproc 是一個回調(diào)函數(shù)(也就是 ep_send_events_proc 函數(shù))，來處理數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的復(fù)制。

  1. /** 
  2.  * ep_scan_ready_list - Scans the ready list in a way that makes possible for the scan code, to call f_op->poll(). Also allows for O(NumReady) performance. 
  3.  * @ep: Pointer to the epoll private data structure. 
  4.  * @sproc: Pointer to the scan callback. 
  5.  * @priv: Private opaque data passed to the @sproc callback. 
  6.  * Returns: The same integer error code returned by the @sproc callback. 
  7.  */ 
  8. static int ep_scan_ready_list(struct eventpoll *ep, 
  9.                   int (*sproc)(struct eventpoll *, 
  10.                        struct list_head *, void *), 
  11.                   void *priv) 

由于 rdllist 鏈表業(yè)務(wù)非常繁忙(epoll 增加監(jiān)視文件、修改監(jiān)視文件、有事件觸發(fā)...等情況都需要操作 rdllist)，所以在復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶空間時，加了一個 ep->mtx 互斥鎖來保護(hù) epoll 自身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線程安全，此時其他執(zhí)行流程里有爭搶 ep->mtx 的操作都會因命中 ep->mtx 進(jìn)入休眠。

但加鎖期間很可能有新事件源源不斷地產(chǎn)生，進(jìn)而調(diào)用 ep_poll_callback(ep_poll_callback 不用爭搶 ep->mtx 所以不會休眠)，新觸發(fā)的事件需要一個地方來收集，不然就丟事件了。這個用來臨時收集新事件的鏈表就是 ovflist。我的理解是：引入 ovflist 后新產(chǎn)生的事件就不用因?yàn)橄胂?rdllist 里寫而去和 ep_send_events_proc 爭搶自旋鎖(ep->lock), 同時 ep_send_events_proc 也可以放心大膽地在無鎖(不持有 ep->lock)的情況下修改 rdllist。

看代碼時會發(fā)現(xiàn)，還有一個 txlist 鏈表，這個鏈表用來最后向用戶態(tài)復(fù)制數(shù)據(jù)，rdllist 要先把自己的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)移到 txlist，然后 rdllist 自己被清空。ep_send_events_proc 遍歷 txlist 處理向用戶空間復(fù)制，復(fù)制成功后如果是水平觸發(fā)(LT)還要把這個事件還回 rdllist，等待下一次 epoll_wait 來獲取它。

ovflist 上的 fd 會合入 rdllist 上等待下一次掃描;如果 txlist 上的 fd 沒有處理完，最后也會合入 rdllist。這 3 個鏈表的關(guān)系是這樣：

Question 7：epitem->pwqlist 隊(duì)列的作用是什么?

答案：用來保存這個 epitem 的 poll 等待隊(duì)列。

首先介紹下什么是 epitem。epitem 是 epoll 中很重要的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 是紅黑樹和 rdllist 的基本組成元素。需要監(jiān)聽的文件和事件信息，都被包裝在 epitem 結(jié)構(gòu)里。

  1. struct epitem { 
  2.     struct rb_node rbn;  // 用于加入紅黑樹 
  3.     struct list_head rdllink; // 用于加入rdllist 
  4.     struct epoll_filefd ffd; // 包含被監(jiān)視文件的文件指針和fd信息 
  5.     struct list_head pwqlist; // poll等待隊(duì)列 
  6.     struct eventpoll *ep; // 所屬的epoll實(shí)例 
  7.     struct epoll_event event;  // 關(guān)注的事件 
  8.     /* 其他成員省略 */ 
  9. }; 

回憶一下上文說到，每當(dāng)用戶調(diào)用 epoll_ctl()新增一個監(jiān)視文件，都要給這個文件注冊一個回調(diào)函數(shù) ep_poll_callback, 當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)后軟中斷會調(diào)用這個 ep_poll_callback 把這個 epitem 加入到 ep->rdllist 中。

pwdlist 就是跟 ep_poll_callback 注冊相關(guān)的。

當(dāng)調(diào)用 epoll_ctl()新增一個監(jiān)視文件后，內(nèi)核會為這個 epitem 創(chuàng)建一個 eppoll_entry 對象，通過 eppoll_entry->wait_queue_t->wait_queue_func_t 來設(shè)置 ep_poll_callback。pwdlist 為什么要做成一個隊(duì)列呢，直接設(shè)置成 eppoll_entry 對象不就行了嗎?實(shí)際上不同文件類型實(shí)現(xiàn) file_operations->poll 用到等待隊(duì)列數(shù)量可能不同。雖然大多數(shù)都是 1 個，但也有例外。比如“scullpipe”類型的文件就用到了 2 個等待隊(duì)列。

pwqlist、epitem、fd、epoll_entry、ep_poll_callback 間的關(guān)系是這樣：

Question 8：epmutex、ep->mtx、ep->lock 3 把鎖的區(qū)別是?

答案：鎖的粒度和使用目的不同。

  • epmutex 是一個全局互斥鎖，epoll 中一共只有 3 個地方用到這把鎖。分別是 ep_free() 銷毀一個 epoll 實(shí)例時、eventpoll_release_file() 清理從 epoll 中已經(jīng)關(guān)閉的文件時、epoll_ctl() 時避免 epoll 間嵌套調(diào)用時形成死鎖。我的理解是 epmutex 的鎖粒度最大，用來處理跨 epoll 實(shí)例級別的同步操作。
  • ep->mtx 是一個 epoll 內(nèi)部的互斥鎖，在 ep_scan_ready_list() 掃描就緒列表、eventpoll_release_file() 中執(zhí)行 ep_remove()刪除一個被監(jiān)視文件、ep_loop_check_proc()檢查 epoll 是否有循環(huán)嵌套或過深嵌套、還有 epoll_ctl() 操作被監(jiān)視文件增刪改等處有使用?？梢钥闯錾鲜龅暮瘮?shù)里都會涉及對 epoll 實(shí)例中 rdllist 或紅黑樹的訪問，因此我的理解是 ep->mtx 是一個 epoll 實(shí)例內(nèi)的互斥鎖，用來保護(hù) epoll 實(shí)例內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的線程安全。
  • ep->lock 是一個 epoll 實(shí)例內(nèi)部的自旋鎖，用來保護(hù) ep->rdllist 的線程安全。自旋鎖的特點(diǎn)是得不到鎖時不會引起進(jìn)程休眠，所以在 ep_poll_callback 中只能使用 ep->lock，否則就會丟事件。

Question 9：epoll 使用紅黑樹的目的是什么?

答案：用來維護(hù)一個 epoll 實(shí)例中所有的 epitem。

用戶態(tài)調(diào)用 epoll_ctl()來操作 epoll 的監(jiān)視文件時，需要增、刪、改、查等動作有著比較高的效率。尤其是當(dāng) epoll 監(jiān)視的文件數(shù)量達(dá)到百萬級的時候，選用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)帶來的效率差異可能非常大。

從時間(增、刪、改、查、按序遍歷)、空間(存儲空間大小、擴(kuò)展性)等方面考量，紅黑樹都是非常優(yōu)秀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(當(dāng)然這以紅黑樹比較高的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度作為代價)。epoll 紅黑樹中的 epitem 是按什么順序組織的。閱讀代碼可以發(fā)現(xiàn)是先比較 2 個文件指針的地址大小，如果相同再比較文件 fd 的大小。

  1. /* Compare RB tree keys */ 
  2. static inline int ep_cmp_ffd(struct epoll_filefd *p1, struct epoll_filefd *p2) 
  3. { 
  4.     return (p1->file > p2->file ? +1 : (p1->file < p2->file ? -1 : p1->fd - p2->fd)); 
  5. } 

epoll、epitem、和紅黑樹間的組織關(guān)系是這樣：

Question 10：什么是水平觸發(fā)、邊緣觸發(fā)?

答案：水平觸發(fā)(LT)和邊緣觸發(fā)(ET)是 epoll_wait 的 2 種工作模式。水平觸發(fā)：關(guān)注點(diǎn)是數(shù)據(jù)(讀操作緩沖區(qū)不為空，寫操作緩沖區(qū)不為滿)，epoll_wait 總會返回就緒。LT 是 epoll 的默認(rèn)工作模式。

邊緣觸發(fā)：關(guān)注點(diǎn)是變化，只有監(jiān)視的文件上有數(shù)據(jù)變化發(fā)生(讀操作關(guān)注有數(shù)據(jù)寫進(jìn)緩沖區(qū)，寫操作關(guān)注數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)取走)，epoll_wait 才會返回。

看一個實(shí)驗(yàn) ,直觀感受下 2 種模式的區(qū)別, 客戶端都是輸入“abcdefgh” 8 個字符，服務(wù)端每次接收 2 個字符。

水平觸發(fā)時，客戶端輸入 8 個字符觸發(fā)了一次讀就緒事件，由于被監(jiān)視文件上還有數(shù)據(jù)可讀故一直返回讀就緒，服務(wù)端 4 次循環(huán)每次都能取到 2 個字符，直到 8 個字符全部讀完。

邊緣觸發(fā)時，客戶端同樣輸入 8 個字符但服務(wù)端一次循環(huán)讀到 2 個字符后這個讀就緒事件就沒有了。等客戶端再輸入一個字符串后，服務(wù)端關(guān)注到了數(shù)據(jù)的“變化”繼續(xù)從緩沖區(qū)讀接下來的 2 個字符“c”和”d”。

小結(jié)

本文通過 10 個問題，其實(shí)也是從 10 個不同的視角去觀察 epoll 這間宏偉的殿堂。至此也基本介紹完了 epoll 從監(jiān)視事件，到內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、事件處理，最后到 epoll_wait 返回的整體工作過程。最后附上一張 epoll 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系圖，在學(xué)習(xí) epoll 過程中它曾解答了我心中不少的疑惑，我愿稱之為燈塔。

參考資料

Implementation of Epoll

Red-black Trees (rbtree) in Linux

What is the purpose of epoll's edge triggered option?

epoll 源碼分析(基于 linux-5.1.4)

epoll 實(shí)現(xiàn)原理

epoll (2) source code analysis

epoll 的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)

Linux Kernel Notes: epoll Implementation Principle

accept 與 epoll 驚群

 

責(zé)任編輯：武曉燕 來源： 51CTO專欄
Linux epoll IO事件
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