IO模型（epoll）詳解 01

從事服務端開發，少不了要接觸網路程式設計。epoll作為linux下高效能網路伺服器的必備技術至關重要，nginx、redis、skynet和大部分遊戲伺服器都使用到這一多路復用技術。

一、從網絡卡接收資料說起

二、如何知道接收了資料？

三、程序阻塞為什麼不占用cpu資源？

四、核心接收網路資料全過程

五、同時監視多個socket的簡單方法

六、epoll的設計思路

七、epoll的原理和流程

八、epoll的實現細節

九、結論

下圖是乙個典型的計算機結構圖，計算機由cpu、儲存器（記憶體）、網路介面等部件組成。了解epoll本質的第一步，要從硬體的角度看計算機怎樣接收網路資料。

下圖展示了網絡卡接收資料的過程。在①階段，網絡卡收到網線傳來的資料；經過②階段的硬體電路的傳輸；最終將資料寫入到記憶體中的某個位址上（③階段）。這個過程涉及到dma傳輸、io通路選擇等硬體有關的知識，但我們只需知道：網絡卡會把接收到的資料寫入記憶體。

了解epoll本質的第二步，要從cpu的角度來看資料接收。要理解這個問題，要先了解乙個概念——中斷。

計算機執行程式時，會有優先順序的需求。比如，當計算機收到斷電訊號時（電容可以儲存少許電量，供cpu執行很短的一小段時間），它應立即去儲存資料，儲存資料的程式具有較高的優先順序。

一般而言，由硬體產生的訊號需要cpu立馬做出回應（不然資料可能就丟失），所以它的優先順序很高。cpu理應中斷掉正在執行的程式，去做出響應；當cpu完成對硬體的響應後，再重新執行使用者程式。中斷的過程如下圖，和函式呼叫差不多。只不過函式呼叫是事先定好位置，而中斷的位置由「訊號」決定。

以鍵盤為例，當使用者按下鍵盤某個按鍵時，鍵盤會給cpu的中斷引腳發出乙個高電平。cpu能夠捕獲這個訊號，然後執行鍵盤中斷程式。下圖展示了各種硬體通過中斷與cpu互動。

現在可以回答本節提出的問題了：當網絡卡把資料寫入到記憶體後，網絡卡向cpu發出乙個中斷訊號，作業系統便能得知有新資料到來，再通過網絡卡中斷程式去處理資料。

了解epoll本質的第三步，要從作業系統程序排程的角度來看資料接收。阻塞是程序排程的關鍵一環，指的是程序在等待某事件（如接收到網路資料）發生之前的等待狀態，recv、select和epoll都是阻塞方法。了解「程序阻塞為什麼不占用cpu資源？」，也就能夠了解這一步。

為簡單起見，我們從普通的recv接收開始分析，先看看下面**：

//建立socket
int s = socket(af_inet, sock_stream, 0
); 
//繫結
bind(s, ...)
//監聽
listen(s, ...)
//接受客戶端連線
int c =accept(s, ...)
//接收客戶端資料
recv(c, ...);
//將資料列印出來
printf(...)

這是一段最基礎的網路程式設計**，先新建socket物件，依次呼叫bind、listen、accept，最後呼叫recv接收資料。recv是個阻塞方法，當程式執行到recv時，它會一直等待，直到接收到資料才往下執行。

工作佇列

作業系統為了支援多工，實現了程序排程的功能，會把程序分為「執行」和「等待」等幾種狀態。執行狀態是程序獲得cpu使用權，正在執行**的狀態；等待狀態是阻塞狀態，比如上述程式執行到recv時，程式會從執行狀態變為等待狀態，接收到資料後又變回執行狀態。作業系統會分時執行各個執行狀態的程序，由於速度很快，看上去就像是同時執行多個任務。

下圖中的計算機中執行著a、b、c三個程序，其中程序a執行著上述基礎網路程式，一開始，這3個程序都被作業系統的工作佇列所引用，處於執行狀態，會分時執行。

工作佇列中有a、b和c三個程序

等待佇列

當程序a執行到建立socket的語句時，作業系統會建立乙個由檔案系統管理的socket物件（如下圖）。這個socket物件包含了傳送緩衝區、接收緩衝區、等待佇列等成員。等待佇列是個非常重要的結構，它指向所有需要等待該socket事件的程序。

當程式執行到recv時，作業系統會將程序a從工作佇列移動到該socket的等待佇列中（如下圖）。由於工作佇列只剩下了程序b和c，依據程序排程，cpu會輪流執行這兩個程序的程式，不會執行程序a的程式。所以程序a被阻塞，不會往下執行**，也不會占用cpu資源。

ps：作業系統新增等待佇列只是新增了對這個「等待中」程序的引用，以便在接收到資料時獲取程序物件、將其喚醒，而非直接將程序管理納入自己之下。上圖為了方便說明，直接將程序掛到等待佇列之下。

喚醒程序

當socket接收到資料後，作業系統將該socket等待佇列上的程序重新放回到工作佇列，該程序變成執行狀態，繼續執行**。也由於socket的接收緩衝區已經有了資料，recv可以返回接收到的資料。

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