再读epoll有感

一、想想当年做android的时候，徜徉在源码的海洋中，从上层到底层，无比痛苦和快乐！！！最经典的就是handler机制。

二、今天突然又想起epoll，看到的文章转载如下

首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。

    不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。

    之后我们来讨论I/O的操作，通过read，我们可以从流中读入数据；通过write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从socket读如数据，但是服务器还没有把数据传回来），这时候该怎么办？

阻塞：阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。

非阻塞忙轮询：接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

    很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。

    大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的CPU时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

    为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程A为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

假设一开始内核缓冲区是空的，B作为读出方，被阻塞着。然后首先A往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。

    但是“缓冲区非空”事件通知B后，B却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个I/O事件，告诉进程A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为“缓冲区满”。

假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做“缓冲区非满”

    也许事件Y1已经通知了A，但是A也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个I/O事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。（如果不能理解“同步”是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。

    然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下，一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程(fork)，要么多线程(pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。

    于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

while true {    for i in stream[]; {        if i has data            read until unavailable    }}

    我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象（后文介绍的select以及epoll）处理甚至直接忽略。

    为了避免CPU空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做select的代理，后来又有一位叫做poll的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的I/O事件，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把“忙”字去掉了）。代码长这样:

while true {    select(streams[])    for i in streams[] {        if i has data            read until unavailable    }}

    于是，如果没有I/O事件产生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题，我们从select那里仅仅知道了，有I/O事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

    但是使用select，我们有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，没一次无差别轮询时间就越长。再次

说了这么多，终于能好好解释epoll了

    epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）

    在讨论epoll的实现细节之前，先把epoll的相关操作列出：

epoll_create 创建一个epoll对象，一般epollfd = epoll_create()

epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合体），往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件

比如

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件，即有数据流入

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件，即流可以被写入

epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read会返回-1，并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。

一个epoll模式的代码大概的样子是：

while true {    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)    for i in active_stream[] {        read or write till    }}

    限于篇幅，我只说这么多，以揭示原理性的东西，至于epoll的使用细节，请参考man和google，实现细节，请参阅linux kernel source。

二、epoll_wait的源码实现

epoll_wait系统实现如下:

1. asmlinkage long sys_epoll_wait(int epfd,struct epoll_event __user*events,
   
2.             int maxevents,int timeout)
   
3. {
   
4.     int error;
   
5.     struct file *file;
   
6.     struct eventpoll *ep;
   
7.     //#define EP_MAX_EVENTS(INT_MAX / sizeof(struct epoll_event))
   
8.     //178956970(1.7亿)
   
9.     if(maxevents<=0|| maxevents> EP_MAX_EVETNS)
   
10.         return -EINVAL;
    
11.     //判断返回事件数组是否合法
    
12.     if(!access_ok(VERIFY_WRITE,events,
    
13.             maxevents * sizeof(struct epoll_event)))
    
14.     {
    
15.         error = -EFAULT;
    
16.         goto error_return;
    
17.     }
    
18. 
    
19.     error = -EBADF;
    
20.     file = fget(epfd);
    
21.     
    
22.     if(!file)
    
23.         goto error_return;
    
24.     error = -EINVAL;
    
25.     if(!is_file_epoll(file))
    
26.         goto error_fput;
    
27.     //将epoll注册时设置的数据结构取出来，开始进行判断
    
28.     ep = file->private_data;
    
29.     error = ep_poll(ep,events,maxevents,timeout);
    
30.         ….......
    
31. }

现在又转入了ep_poll函数中:

1. static int ep_poll(struct eventpoll*ep,struct epoll_event __user*events,
   
2.                 int maxevents,long timeout)
   
3. {
   
4.     int res,avail;
   
5.     unsigned long flags;
   
6.     long jtimeout;
   
7.     wait_queue_t wait;
   
8.     
   
9.     //注册的0ms按0.999 Jiffies处理,并非真正的0s,HZ=100,
   
10.     //jiffies/HZ 为s
    
11.     jtimeout = (timeout<0 || timeout >= EP_MAX_MSTIMEO)?
    
12.         MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:(timeout*HZ+999)/1000;
    
13. 
    
14. retry:
    
15.     spin_lock_irqsave(&ep->lock,flags);
    
16.     
    
17.     res = 0;
    
18.     //事件就绪队列为空，就监听poll
    
19.     if(list_empty(&ep->rdllist))
    
20.     {
    
21.         //让当前进程挂在等待队列wait上，并将该等待队列加入到ep->wq(epoll_wait的            专属队列中),
    
22.         init_waitqueue_entry(&wait,current);
    
23.         wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
    
24.         __add_wait_queue(&ep->wq,&wait);
    
25. 
    
26.         for(;;){
    
27.             //进程设置睡眠状态，等到信息时变唤醒
    
28.             set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    
29.             if(!list_empty(&ep->rdllist)||!jtimeout)//只要事件到来，就返回
    
30.                 break;
    
31.             if(signal_pending(current)){//被信号中断就会返回
    
32.                 res = -EINTR;
    
33.                 break;
    
34.             }
    
35.         spin_unlock_irqrestore(&ep->lock,flags);
    
36.         //进程进入睡眠状态直到规定的睡眠事件醒来或者注册的fd对应的poll驱动函数唤醒该            进程
    
37.         jtimeout = schedule_timeout(jtimeout);
    
38.         spin_lock_irqrestore(&ep->lock,flags);
    
39.         }
    
40.     //poll驱动唤醒了该进程，现在就将对应的poll从等待队列中清除出去,并设置为运行状态
    
41.     __remove_wait_queue(&ep->wq,&wait);
    
42.     set_current_state(TASK_RUNNING);
    
43.     }
    
44.     eavail = !list_empty(&ep->rdllist);
    
45.     spin_unlock_irqrestore(&ep->lock,flags);
    
46.     //没有被中断，有就绪事件，并且向用户空间发送成功，就返回
    
47.     if(!res&& eavail&&!(res= ep_send_events(ep,events,maxevents))
    
48.         &&jtimeout)
    
49.         goto retry;
    
50. 
    
51.     return res;
    
52. }

ep_send_events函数向用户空间发送就绪事件:

1. static int ep_send_events(struct eventpoll*ep,struct epoll_event __user*events,int maxevents)
   
2. {
   
3.     int eventcnt,error= -EFAULT,pwake= 0;
   
4.     unsigned int revents;
   
5.     unsigned long flags;
   
6.     struct epitem *epi,*nepi;
   
7.     struct list_head txlist;
   
8. 
   
9.     INIT_LIST_HEAD(&txlist);
   
10.     mutex_lock(&ep->mtx);
    
11. 
    
12.     spin_lock_irqsave(&ep->lock,flags);
    
13.     //将ep->rdllist链表加入到txlist链表中去,这样的话rdllist链表就为空了
    
14.     list_splice(&ep->rdllist,&txlist);
    
15.     INIT_LIST_HEAD(&ep->rdllist);
    
16.     ep->ovflist= NULL;
    
17.     spin_unlock_irqrestore(&ep->lock,flags);
    
18.     //将rdllist链表中的每一项都发送至用户空间
    
19.     for(eventcnt= 0;!list_empty(&txlist)&& eventcnt< maxevents;){
    
20.         
    
21.         epi = list_first_entry(&txlist,struct epitem,rdllink);
    
22.         list_del_init(&epi->rdllink);    
    
23.         //立刻返回当前文件的就绪事件
    
24.         revents = epi->ffd.file->f_op->poll(epi->ffd.file,NULL);
    
25.         revents &= epi->event.events;
    
26.         
    
27.         if(revents){
    
28.             //将就绪事件的poll_event发送至用户空间
    
29.             if(__put_user(revents,&events[eventcnt.].events)||
    
30.              __put_user(epi->event.data,&events[eventcnt].data))
    
31.                 
    
32.                 goto errxit;
    
33.             //#define EP_PRIVATE_BITS(EPOLLONESHOT | EPOLLET)
    
34.             if(epi->event.events& EPOLLONESHOT)
    
35.                 epi->event.events&= EP_PRIVATE_BITS;
    
36.             eventcnt++;
    
37.         }
    
38.      //非边缘触发，且事件就绪时，就将epi->rdllink加入到rdllist链表中,实际上就是将没有标记为ET模式的fd又放回到rdllist中，这样下次就绪时又能将其发送至用户空间了
    
39.      if(!(epi->event.events& EPOLLET)&&(revents &
    
40.                 epi->event.events))
    
41.             list_add_tail(&epi->rdllink,&ep->rdllist);
    
42. }
    
43.     error = 0;
    
44. errixt:
    
45.     spin_lock_irqsave(&ep->lock,flags);
    
46.     //在执行上面的代码期间，又有可能有就绪事件，这样的话就进入了ovflist队列，这样有需要再一次确认一次    
    
47.     for(nepi= ep->ovflist;(epi= nepi)!=NULL;
    
48.      nepi = epi->next;epi->next= EP_UNACTIVE_PTR){
    
49.         //链表为空且没有ET事件发生,#define EP_PRIVATE_BITS(EPOLLONESHOT | EPOLLET),这里也和上面的一样
    
50.         if(!ep_is_linked(&epi->rdllink)&&(epi->event.events&
    
51.             ~EP_PRIVATE_BITS))
    
52.             //又将rdllink其加入到rdllist中
    
53.                 list_add_tail(&epi->rdllink,&ep->rdllist);
    
54.     }
    
55.     //#define EP_UNACTIVE_PTR    ((void*)-1L)
    
56.     ep->ovflist= EP_UNACTIVE_PTR;
    
57.     list_spice(&txlist,&ep->rdllist);//现在又将txlist链表加入到rdllist链表中去
    
58.     if(!list_empty(&ep->rdllist))
    
59.     {
    
60.         //等待的队列不为空
    
61.         if(waitqueue_active(&ep->wq))
    
62.             
    
63.             __wake_up_locked(&ep->wq,TASK_UNINTERRUPTIBLE|
    
64.             TASK_INTERRUPTIBLE);
    
65.         //如果poll队列不为空，则唤醒的次数加1
    
66.         if(waitqueue_active(&ep->poll_wait))
    
67.             pwake++;
    
68.     }
    
69.     spin_unlock_irqrestore(&ep->lock,flags);
    
70.     mutex_unlock(&ep->mtx);
    
71.     if(pwake)
    
72.         ep_poll_safewake(&psw,&ep->poll_wait);
    
73.     return eventcnt == 0?error:eventcnt;
    
74. }

这样epoll_wait的调用顺序为: