Redis IO多路复用技术及epoll实现原理详解

Redis是一个单线程的但性能是非常好的内存数据库，主要用来作为缓存系统。Redis采用网络IO多路复用技术来保证在多连接的时候，系统吞吐量高。
1、为什么Redis要使用IO多路复用?
首先，Redis是跑在单线程中的，所有的操作都是顺序线性执行的，但是由于读写操作等待用户输入或者输出都是阻塞的，所以I/O操作往往不能直接返回，这会导致某一文件的I/O阻塞导致整个进程无法为客户服务，而I/O多路复用模型就是为了解决这个问题而出现的。
select、poll、epoll都是IO多路复用的模型。I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪，能够通知应用程序进行相应操作。

Redis的I/O模型使用的就是epoll，不过它也提供了select和kqueue的实现，默认采用epoll。

2、epoll实现机制
①场景举例
设想一个如下场景：

有100W个客户端同时与一个服务器保持着TCP连接。而每一时刻只有几百上千个TCP连接是活跃着的（事实上大部分场景都是这样的情况）。如何实现这样的高并发。

在select/poll时代，服务器进程每次都要把100W个连接告诉操作系统（从用户态复制句柄数据结构到内核态），让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已经发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此select/poll一般只能处理几千的并发连接。
如果没有I/O事件发生，我们的程序就会阻塞在select处。但是依然存在一个问题，我们从select那里仅仅知道了有I/O事件发生，但却并不知道是哪几个流（可能一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出或者写入数据的流，对它们进行操作。
但是，使用select，我们有O（n）无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别的轮询时间就越长。
select/poll缺点
1、每次调用select/poll都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大；
2、同时每次调用select/poll都需要在内核遍历传进来的所有fd，这个开销在fd很多时会很大；
3、select支持的文件描述符数量太小，默认1024；
4、select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
5、select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知给进程；

 相比于select模型，poll模型使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但是其他缺点依然存在。

epoll实现机制

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll是poll的一种优化，返回后不需要对所有的fd进行遍历，它在内核中维护了fd列表。select和poll是将这个内核列表维持在用户态，然后复制到内核态。与select/poll不同，epoll不在是一个单独的调度系统，而是由epoll_create / epolll_ctl / epoll_wait三个系统组成，后面将会看到这样做的好处。epoll在2.6以后的内核才支持。
epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统（文件系统一般用什么数据结构？B+树）。把原先的select/poll调用分成三个部分。
1、调用epoll_create（）建立一个epoll对象（在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源）；
2、调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100W个连接的套接字；
3、调用epoll_wait收集在这上面发生的事件连接。
如此一来，要实现上面所说的的场景，只要在进程启动的时候创建一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除socket连接。同时，epoll_wait的效率也是非常高的，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100W个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。
epoll优点
1、epoll没有最大并发连接限制，上限是最大可以打开的文件的数目，这个数字远大于“2048”，一般来说，这个数目跟系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max查看。
2、效率提升，epoll最大的优点就在于它只管你活跃的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，epoll的效率会远远高于select/poll。
3、无内存拷贝，epoll在这点上使用了“共享内存”，这个内存拷贝也就省略了。
3、Redis epoll底层实现
当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。

eventpoll结构体如下所示：
    struct eventpoll{
 
    ……
    /* 红黑树根节点，这棵树中存储着所有添加到epoll中需要监控的事件 */
    struct rb_root rbr;
 
    /* 双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件 */
    struct list_head rdlist;
    ……
 
};

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树高效标识出来（红黑树插入事件效率是lgn，其中n为树的高度）。
而所有添加到epoll中的事件都会与设备（网卡）驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时，会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback，它会将发生的事件添加到rdlist双向链表中。

在epoll中，每个事件都会建立一个epitem结构体，如下所示：
struct epitem{
    // 红黑树节点
    struct rb_node rbn;
 
    // 双向链表节点
    struct list_head rdlist;
 
    // 事件句柄信息
    struct epoll_filefd ffd;
 
    // 指向其所属的eventpoll对象
    struct eventpoll *ep;
 
    // 期待发生的事件类型
    struct epoll_event event;
 
}

当调用epoll_wait方法检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双向链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件的数量返回给用户。
优势：
1、不用重复传递。我们调用epoll_wait时候就相当于以前调用select/poll，但这时却不用传递socket文件句柄给内核，因为内核已经在epoll_ctl中拿到了要监控的文件句柄列表。
2、在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述被监控socket。当你调用epoll_create时，就会在这个虚拟的epoll文件系统中创建一个file结点。当然这个file不是普通的文件，它只服务于epoll。
3、极其高效的原因。这是由于我们在调用epoll_create时候，内核除了帮我们在epoll文件系统中创建了file结点，在内核cache里创建了个红黑树用于储存以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时候，仅仅观察这个list链表有没有数据即可。如果有数据就立即返回，没有数据就sleep，等到timeout时候，即使list没有数据也返回。所以epoll_wait非常高效。
epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置我们每一个想要监控的socket，这些socket会以红黑树的形式保存在内核cache里，以支持快速的查找、插入、删除。这个内核高速cache区，就是建立连续的物理内存页，然后在此之上建立slab层，简单的说，就是物理上分配好你想要的size内存对象，每次使用都是使用空闲的已经分配好的对象。
这个准备就绪的list链表是怎么维护的呢？
当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪的list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核再把网卡中的数据copy到内核中后，就把socket插入到准备就绪的链表里了。（备注：好好理解这句话）
从上面可以看出，epoll基础就是回调。
如此，一颗红黑树，一张准备就绪的句柄链表，少量的内核cache，就帮我们解决了高并发下的socket处理问题。
执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查红黑树中是否存在，存在就立即返回，不存在则添加进红黑树，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。执行epoll_wait时，立刻返回准备就绪链表里的数据即可。
最后看看epoll独有的两种模式LT和ET。无论是LE还是ET都适用于以上所说的流程。区别是，LT模式下，只要一个句柄上的事件一次没有处理完，会在以后调用epoll_wait时此次返回这个句柄，而ET模式仅在第一次返回。
关于LT和ET，有一段描述，LT和ET都是电子里面的术语，ET是边缘触发，LT是水平触发，一个表示只有在变化的边际触发，一个表示在某个阶段都会触发。
LT，ET这件事怎么做到的呢？当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪的list链表，最后，epoll_wait干了这件事情，就是检查这些socket，如果不是ET模式（就是LT模式的句柄了），并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回刚刚清空的准备就绪链表了。所以，非ET的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回这个句柄。（从上面这段，可以看出，LT还有一个回放过程，低效了。）