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Epoll 实现原理

epoll 是Linux平台下的一种特有的多路复用IO实现方式，与传统的 select 相比，epoll 在性能上有很大的提升。本文主要讲解 epoll 的实现原理，而对于 epoll 的使用可以参考相关的书籍或文章。

epoll 的创建

要使用 epoll 首先需要调用 epoll_create() 函数创建一个 epoll 的句柄，epoll_create() 函数定义如下：

int epoll_create(int size);

参数 size 是由于历史原因遗留下来的，现在不起作用。当用户调用 epoll_create() 函数时，会进入到内核空间，并且调用 sys_epoll_create() 内核函数来创建 epoll 句柄，sys_epoll_create() 函数代码如下：

asmlinkage long sys_epoll_create(int size)
{
    int error, fd = -1;
    struct eventpoll *ep;

    error = -EINVAL;
    if (size <= 0 || (error = ep_alloc(&ep)) < 0) {
        fd = error;
        goto error_return;
    }

    fd = anon_inode_getfd("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep);
    if (fd < 0)
        ep_free(ep);

error_return:
    return fd;
}

sys_epoll_create() 主要做两件事情：

1. 调用 ep_alloc() 函数创建并初始化一个 eventpoll 对象。
2. 调用 anon_inode_getfd() 函数把 eventpoll 对象映射到一个文件句柄，并返回这个文件句柄。

我们先来看看 eventpoll 这个对象，eventpoll 对象用于管理 epoll 监听的文件列表，其定义如下：

struct eventpoll {
    ...
    wait_queue_head_t wq;
    ...
    struct list_head rdllist;
    struct rb_root rbr;
    ...
};

先来说明一下 eventpoll 对象各个成员的作用：

1. wq: 等待队列，当调用 epoll_wait(fd) 时会把进程添加到 eventpoll 对象的 wq 等待队列中。
2. rdllist: 保存已经就绪的文件列表。
3. rbr: 使用红黑树来管理所有被监听的文件。

下图展示了 eventpoll 对象与被监听的文件关系：

由于被监听的文件是通过 epitem 对象来管理的，所以上图中的节点都是以 epitem 对象的形式存在的。为什么要使用红黑树来管理被监听的文件呢？这是为了能够通过文件句柄快速查找到其对应的 epitem 对象。红黑树是一种平衡二叉树，如果对其不了解可以查阅相关的文档。

向 epoll 添加文件句柄

前面介绍了怎么创建 epoll，接下来介绍一下怎么向 epoll 添加要监听的文件。

通过调用 epoll_ctl() 函数可以向 epoll 添加要监听的文件，其原型如下：

long epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,struct epoll_event *event);

下面说明一下各个参数的作用：

1. epfd: 通过调用 epoll_create() 函数返回的文件句柄。
2. op: 要进行的操作，有3个选项：
   • EPOLL_CTL_ADD：表示要进行添加操作。
   • EPOLL_CTL_DEL：表示要进行删除操作。
   • EPOLL_CTL_MOD：表示要进行修改操作。
3. fd: 要监听的文件句柄。
4. event: 告诉内核需要监听什么事。其定义如下：

struct epoll_event {
    __uint32_t events;  /* Epoll events */
    epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

events 可以是以下几个宏的集合：

• EPOLLIN ：表示对应的文件句柄可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
• EPOLLOUT：表示对应的文件句柄可以写；
• EPOLLPRI：表示对应的文件句柄有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
• EPOLLERR：表示对应的文件句柄发生错误；
• EPOLLHUP：表示对应的文件句柄被挂断；
• EPOLLET：将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。

data 用来保存用户自定义数据。

epoll_ctl() 函数会调用 sys_epoll_ctl() 内核函数，sys_epoll_ctl() 内核函数的实现如下：

asmlinkage long sys_epoll_ctl(int epfd, int op, 
    int fd, struct epoll_event __user *event)
{
    ...
    file = fget(epfd);
    tfile = fget(fd);
    ...
    ep = file->private_data;

    mutex_lock(&ep->mtx);

    epi = ep_find(ep, tfile, fd);

    error = -EINVAL;
    switch (op) {
    case EPOLL_CTL_ADD:
        if (!epi) {
            epds.events |= POLLERR | POLLHUP;

            error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd);
        } else
            error = -EEXIST;
        break;
    ...
    }
    mutex_unlock(&ep->mtx);

    ...
    return error;
}

sys_epoll_ctl() 函数会根据传入不同 op 的值来进行不同操作，比如传入 EPOLL_CTL_ADD 表示要进行添加操作，那么就调用 ep_insert() 函数来进行添加操作。

我们继续来分析添加操作 ep_insert() 函数的实现：

static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,
             struct file *tfile, int fd)
{
    ...
    error = -ENOMEM;
    // 申请一个 epitem 对象
    if (!(epi = kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))
        goto error_return;

    // 初始化 epitem 对象
    INIT_LIST_HEAD(&epi->rdllink);
    INIT_LIST_HEAD(&epi->fllink);
    INIT_LIST_HEAD(&epi->pwqlist);
    epi->ep = ep;
    ep_set_ffd(&epi->ffd, tfile, fd);
    epi->event = *event;
    epi->nwait = 0;
    epi->next = EP_UNACTIVE_PTR;

    epq.epi = epi;
    // 等价于: epq.pt->qproc = ep_ptable_queue_proc
    init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);

    // 调用被监听文件的 poll 接口. 
    // 这个接口又各自文件系统实现, 如socket的话, 那么这个接口就是 tcp_poll().
    revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);
    ...
    ep_rbtree_insert(ep, epi); // 把 epitem 对象添加到epoll的红黑树中进行管理

    spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);

    // 如果被监听的文件已经可以进行对应的读写操作
    // 那么就把文件添加到epoll的就绪队列 rdllink 中, 并且唤醒调用 epoll_wait() 的进程.
    if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) {
        list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);

        if (waitqueue_active(&ep->wq))
            wake_up_locked(&ep->wq);
        if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
            pwake++;
    }

    spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
    ...
    return 0;
    ...
}

被监听的文件是通过 epitem 对象进行管理的，也就是说被监听的文件会被封装成 epitem 对象，然后会被添加到 eventpoll 对象的红黑树中进行管理（如上述代码中的 ep_rbtree_insert(ep, epi)）。

tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt) 这行代码的作用是调用被监听文件的 poll() 接口，如果被监听的文件是一个socket句柄，那么就会调用 tcp_poll()，我们来看看 tcp_poll() 做了什么操作：

unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)
{
    struct sock *sk = sock->sk;
    ...
    poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);
    ...
    return mask;
}

每个 socket 对象都有个等待队列（waitqueue, 关于等待队列可以参考文章: 等待队列原理与实现），用于存放等待 socket 状态更改的进程。

从上述代码可以知道，tcp_poll() 调用了 poll_wait() 函数，而 poll_wait() 最终会调用 ep_ptable_queue_proc() 函数，ep_ptable_queue_proc() 函数实现如下：

static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, 
    wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt)
{
    struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt);
    struct eppoll_entry *pwq;

    if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) {
        init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
        pwq->whead = whead;
        pwq->base = epi;
        add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
        list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
        epi->nwait++;
    } else {
        epi->nwait = -1;
    }
}

ep_ptable_queue_proc() 函数主要工作是把当前 epitem 对象添加到 socket 对象的等待队列中，并且设置唤醒函数为 ep_poll_callback()，也就是说，当socket状态发生变化时，会触发调用 ep_poll_callback() 函数。ep_poll_callback() 函数实现如下：

static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key)
{
    ...
    // 把就绪的文件添加到就绪队列中
    list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);

is_linked:
    // 唤醒调用 epoll_wait() 而被阻塞的进程
    if (waitqueue_active(&ep->wq))
        wake_up_locked(&ep->wq);
    ...
    return 1;
}

ep_poll_callback() 函数的主要工作是把就绪的文件添加到 eventepoll 对象的就绪队列中，然后唤醒调用 epoll_wait() 被阻塞的进程。

等待被监听的文件状态发生改变

把被监听的文件句柄添加到epoll后，就可以通过调用 epoll_wait() 等待被监听的文件状态发生改变。epoll_wait() 调用会阻塞当前进程，当被监听的文件状态发生改变时，epoll_wait() 调用便会返回。

epoll_wait() 系统调用的原型如下：

long epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

各个参数的意义：

1. epfd: 调用 epoll_create() 函数创建的epoll句柄。
2. events: 用来存放就绪文件列表。
3. maxevents: events 数组的大小。
4. timeout: 设置等待的超时时间。

epoll_wait() 函数会调用 sys_epoll_wait() 内核函数，而 sys_epoll_wait() 函数最终会调用 ep_poll() 函数，我们来看看 ep_poll() 函数的实现：

static int ep_poll(struct eventpoll *ep, 
    struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout)
{
    ...
    // 如果就绪文件列表为空
    if (list_empty(&ep->rdllist)) {
        // 把当前进程添加到epoll的等待队列中
        init_waitqueue_entry(&wait, current);
        wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
        __add_wait_queue(&ep->wq, &wait);

        for (;;) {
            set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 把当前进程设置为睡眠状态
            if (!list_empty(&ep->rdllist) || !jtimeout) // 如果有就绪文件或者超时, 退出循环
                break;
            if (signal_pending(current)) { // 接收到信号也要退出
                res = -EINTR;
                break;
            }

            spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
            jtimeout = schedule_timeout(jtimeout); // 让出CPU, 切换到其他进程进行执行
            spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
        }
        // 有3种情况会执行到这里:
        // 1. 被监听的文件集合中有就绪的文件
        // 2. 设置了超时时间并且超时了
        // 3. 接收到信号
        __remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);

        set_current_state(TASK_RUNNING);
    }
    /* 是否有就绪的文件? */
    eavail = !list_empty(&ep->rdllist);

    spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);

    if (!res && eavail 
        && !(res = ep_send_events(ep, events, maxevents)) && jtimeout)
        goto retry;

    return res;
}

ep_poll() 函数主要做以下几件事：

1. 判断被监听的文件集合中是否有就绪的文件，如果有就返回。
2. 如果没有就把当前进程添加到epoll的等待队列中，并且进入睡眠。
3. 进程会一直睡眠直到有以下几种情况发生：
   1. 被监听的文件集合中有就绪的文件
   2. 设置了超时时间并且超时了
   3. 接收到信号
4. 如果有就绪的文件，那么就调用 ep_send_events() 函数把就绪文件复制到 events 参数中。
5. 返回就绪文件的个数。

最后，我们通过一张图来总结epoll的原理：

下面通过文字来描述一下这个过程：

1. 通过调用 epoll_create() 函数创建并初始化一个 eventpoll 对象。
2. 通过调用 epoll_ctl() 函数把被监听的文件句柄 (如socket句柄) 封装成 epitem 对象并且添加到 eventpoll 对象的红黑树中进行管理。
3. 通过调用 epoll_wait() 函数等待被监听的文件状态发生改变。
4. 当被监听的文件状态发生改变时（如socket接收到数据），会把文件句柄对应 epitem 对象添加到 eventpoll 对象的就绪队列 rdllist 中。并且把就绪队列的文件列表复制到 epoll_wait() 函数的 events 参数中。
5. 唤醒调用 epoll_wait() 函数被阻塞（睡眠）的进程。