IO模型（epoll）--详解-02

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，大部分游戏服务器都使用到这一多路复用技术。文章核心思想是：要让读者清晰明白EPOLL为什么性能好。

四、内核接收网络数据全过程

　　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。

 

　　以上是内核接收数据全过程

　　　　这里留有两个思考题，大家先想一想。

　　　　其一，操作系统如何知道网络数据对应于哪个socket？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。

　　　　其二，如何同时监视多个socket的数据？是多路复用的重中之重，是本文后半部分的重点！

五、同时监视多个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。recv和select的中断回调可以设置成不同的内容。sock2接收到了数据，中断程序唤起进程A

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。将进程A从所有等待队列中移除，再加入到工作队列里面

　　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：

　　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。

补充说明： 本节只解释了select的一种情形。当程序调用select时，内核会先遍历一遍socket，如果有一个以上的socket接收缓冲区有数据，那么select直接返回，不会阻塞。这也是为什么select的返回值有可能大于1的原因之一。如果没有socket有数据，进程才会阻塞。

六、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。就绪列表示意图