IO模型（epoll）--详解-01

写在前面

　　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。

　　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。目录：

一、从网卡接收数据说起
二、如何知道接收了数据？
三、进程阻塞为什么不占用cpu资源？
四、内核接收网络数据全过程
五、同时监视多个socket的简单方法
六、epoll的设计思路
七、epoll的原理和流程
八、epoll的实现细节
九、结论

一、从网卡接收数据说起

　　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。

二、如何知道接收了数据？

　　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。下图展示了各种硬件通过中断与cpu交互。

　　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。

三、进程阻塞为什么不占用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。

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。

工作队列中有A、B和C三个进程

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。