Linux內(nèi)核中的epoll是一種高效的I/O事件通知機(jī)制， 它用于在文件描述符上等待事件的發(fā)生，類似于select和poll函數(shù)。然而，與select和poll相比，epoll具有更高的性能和更好的可擴(kuò)展性。在本文中，我們將深入了解Linux內(nèi)核中的epoll，并詳細(xì)解釋它是如何工作的。

概念

所謂I/O多路復(fù)用（I/O Multiplexing），它是指內(nèi)核提供了一種機(jī)制，允許一個進(jìn)程同時監(jiān)聽多個文件描述符（socket，文件，管道等），并在其中有數(shù)據(jù)到達(dá)時，才真正地去讀（recv）、寫（send），而不是阻塞在那里等待所有FD上同時有數(shù)據(jù)到達(dá)。這種機(jī)制就是epoll了。相比于select和poll來說，epoll更加高效，具有更好的可拓展性。

應(yīng)用場景

首先，讓我們看一下在何時使用epoll。通常情況下，我們需要選擇合適的I/O復(fù)用機(jī)制，以便在等待I/O完成時最小化開銷。當(dāng)我們需要同時監(jiān)視多個文件描述符，并且這些文件描述符的狀態(tài)不經(jīng)常改變時，使用epoll會更合適。不過需要注意的是，使用epoll需要大量內(nèi)存來維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)

在一個完整的epoll系統(tǒng)中，我們主要使用以下幾個核心結(jié)構(gòu)：

1. 句柄數(shù)據(jù)：

句柄數(shù)據(jù)是與套接字（socket）或文件描述符相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它包含有操作的句柄，即新的連接句柄、套接字句柄等。在Linux內(nèi)核中，每一個句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都對應(yīng)一個文件描述符。

2. 時間堆：

時間堆是用來維護(hù)所有在等待I/O完成的句柄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個句柄上有事件發(fā)生時，它會被加入到時間堆中。

3. 句柄映射表：

句柄映射表是一個跟時間堆和句柄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它允許我們在套接字和文件描述符之間建立關(guān)聯(lián)。

4. 事件列表：

事件列表是用來保存所有等待處理的事件。 在本質(zhì)上，事件列表類似于文件描述符表，唯一的區(qū)別是它更靈活。它允許增加和刪除事件，并且可以非常快速地遍歷。當(dāng)一個句柄上有數(shù)據(jù)可讀或?qū)憰r，它會被加入到事件列表中，而事件列表將被處理來完成相應(yīng)的I/O操作。

應(yīng)用

使用epoll的第一步是創(chuàng)建一個epoll實(shí)例，這可以使用epoll_create系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。該調(diào)用返回一個文件描述符，表示創(chuàng)建的epoll實(shí)例。

在使用epoll時，我們需要將文件描述符添加到epoll實(shí)例中，通過epoll_ctl系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。例如，要監(jiān)視某個套接字是否有數(shù)據(jù)到達(dá)，我們可以使用以下代碼：

//創(chuàng)建epoll實(shí)例
int epoll_fd = epoll_create(1);
//添加套接字文件描述符到epoll實(shí)例中
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

在上面的代碼中，我們首先創(chuàng)建了一個epoll實(shí)例，然后將套接字文件描述符添加到epoll實(shí)例中。需要注意的是，我們使用epoll_event結(jié)構(gòu)來指定我們要監(jiān)聽的事件類型。在本例中，我們要監(jiān)視的是套接字的輸入事件（EPOLLIN）。

當(dāng)監(jiān)視多個文件描述符時，可以使用epoll_wait來等待任何I/O事件的發(fā)生。該調(diào)用將阻塞，直到有一個或多個事件準(zhǔn)備就緒或達(dá)到超時。我們可以使用以下代碼來執(zhí)行此操作：

//等待事件
static struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
int ready = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);

//處理所有就緒的事件
for (int i = 0; i < ready; i++) {
parse_event(events[i]);
}

在上面的代碼中，我們等待任何I/O事件的發(fā)生，并且一旦有一個或多個事件準(zhǔn)備就緒，則觸發(fā)一個parse_event回調(diào)。需要注意的是，我們可以使用最后一個參數(shù)來指定等待的超時時間。如果指定為-1，則該調(diào)用將永遠(yuǎn)阻塞，直到有一個或多個事件準(zhǔn)備就緒。

小結(jié)

epoll是Linux內(nèi)核提供的一種高效的I/O事件通知機(jī)制，能夠同時監(jiān)聽多個文件描述符，具有更好的性能和可擴(kuò)展性。雖然它需要更多的內(nèi)存來維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它仍然是一種強(qiáng)大的工具，可以在處理高并發(fā)I/O時提高效率和性能。