gitbook/网络编程实战/docs/152137.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 31丨性能篇答疑epoll源码深度剖析
你好,我是盛延敏,今天是网络编程实战性能篇的答疑模块,欢迎回来。
在性能篇中我主要围绕C10K问题进行了深入剖析最后引出了事件分发机制和多线程。可以说基于epoll的事件分发能力是Linux下高性能网络编程的不二之选。如果你觉得还不过瘾期望有更深刻的认识和理解那么在性能篇的答疑中我就带你一起梳理一下epoll的源代码从中我们一定可以有更多的发现和领悟。
今天的代码有些多,建议你配合文稿收听音频。
## 基本数据结构
在开始研究源代码之前我们先看一下epoll中使用的数据结构分别是eventpoll、epitem和eppoll\_entry。
我们先看一下eventpoll这个数据结构这个数据结构是我们在调用epoll\_create之后内核侧创建的一个句柄表示了一个epoll实例。后续如果我们再调用epoll\_ctl和epoll\_wait等都是对这个eventpoll数据进行操作这部分数据会被保存在epoll\_create创建的匿名文件file的private\_data字段中。
```
/*
* This structure is stored inside the "private_data" member of the file
* structure and represents the main data structure for the eventpoll
* interface.
*/
struct eventpoll {
/* Protect the access to this structure */
spinlock_t lock;
/*
* This mutex is used to ensure that files are not removed
* while epoll is using them. This is held during the event
* collection loop, the file cleanup path, the epoll file exit
* code and the ctl operations.
*/
struct mutex mtx;
/* Wait queue used by sys_epoll_wait() */
//这个队列里存放的是执行epoll_wait从而等待的进程队列
wait_queue_head_t wq;
/* Wait queue used by file->poll() */
//这个队列里存放的是该eventloop作为poll对象的一个实例加入到等待的队列
//这是因为eventpoll本身也是一个file, 所以也会有poll操作
wait_queue_head_t poll_wait;
/* List of ready file descriptors */
//这里存放的是事件就绪的fd列表链表的每个元素是下面的epitem
struct list_head rdllist;
/* RB tree root used to store monitored fd structs */
//这是用来快速查找fd的红黑树
struct rb_root_cached rbr;
/*
* This is a single linked list that chains all the "struct epitem" that
* happened while transferring ready events to userspace w/out
* holding ->lock.
*/
struct epitem *ovflist;
/* wakeup_source used when ep_scan_ready_list is running */
struct wakeup_source *ws;
/* The user that created the eventpoll descriptor */
struct user_struct *user;
//这是eventloop对应的匿名文件充分体现了Linux下一切皆文件的思想
struct file *file;
/* used to optimize loop detection check */
int visited;
struct list_head visited_list_link;
#ifdef CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL
/* used to track busy poll napi_id */
unsigned int napi_id;
#endif
};
```
你能看到在代码中我提到了epitem这个epitem结构是干什么用的呢
每当我们调用epoll\_ctl增加一个fd时内核就会为我们创建出一个epitem实例并且把这个实例作为红黑树的一个子节点增加到eventpoll结构体中的红黑树中对应的字段是rbr。这之后查找每一个fd上是否有事件发生都是通过红黑树上的epitem来操作。
```
/*
* Each file descriptor added to the eventpoll interface will
* have an entry of this type linked to the "rbr" RB tree.
* Avoid increasing the size of this struct, there can be many thousands
* of these on a server and we do not want this to take another cache line.
*/
struct epitem {
union {
/* RB tree node links this structure to the eventpoll RB tree */
struct rb_node rbn;
/* Used to free the struct epitem */
struct rcu_head rcu;
};
/* List header used to link this structure to the eventpoll ready list */
//将这个epitem连接到eventpoll 里面的rdllist的list指针
struct list_head rdllink;
/*
* Works together "struct eventpoll"->ovflist in keeping the
* single linked chain of items.
*/
struct epitem *next;
/* The file descriptor information this item refers to */
//epoll监听的fd
struct epoll_filefd ffd;
/* Number of active wait queue attached to poll operations */
//一个文件可以被多个epoll实例所监听这里就记录了当前文件被监听的次数
int nwait;
/* List containing poll wait queues */
struct list_head pwqlist;
/* The "container" of this item */
//当前epollitem所属的eventpoll
struct eventpoll *ep;
/* List header used to link this item to the "struct file" items list */
struct list_head fllink;
/* wakeup_source used when EPOLLWAKEUP is set */
struct wakeup_source __rcu *ws;
/* The structure that describe the interested events and the source fd */
struct epoll_event event;
};
```
每次当一个fd关联到一个epoll实例就会有一个eppoll\_entry产生。eppoll\_entry的结构如下
```
/* Wait structure used by the poll hooks */
struct eppoll_entry {
/* List header used to link this structure to the "struct epitem" */
struct list_head llink;
/* The "base" pointer is set to the container "struct epitem" */
struct epitem *base;
/*
* Wait queue item that will be linked to the target file wait
* queue head.
*/
wait_queue_entry_t wait;
/* The wait queue head that linked the "wait" wait queue item */
wait_queue_head_t *whead;
};
```
## epoll\_create
我们在使用epoll的时候首先会调用epoll\_create来创建一个epoll实例。这个函数是如何工作的呢?
首先epoll\_create会对传入的flags参数做简单的验证。
```
/* Check the EPOLL_* constant for consistency. */
BUILD_BUG_ON(EPOLL_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
if (flags & ~EPOLL_CLOEXEC)
return -EINVAL;
/*
```
接下来内核申请分配eventpoll需要的内存空间。
```
/* Create the internal data structure ("struct eventpoll").
*/
error = ep_alloc(&ep);
if (error < 0)
return error;
```
在接下来epoll\_create为epoll实例分配了匿名文件和文件描述字其中fd是文件描述字file是一个匿名文件。这里充分体现了UNIX下一切都是文件的思想。注意eventpoll的实例会保存一份匿名文件的引用通过调用fd\_install函数将匿名文件和文件描述字完成了绑定。
这里还有一个特别需要注意的地方在调用anon\_inode\_get\_file的时候epoll\_create将eventpoll作为匿名文件file的private\_data保存了起来这样在之后通过epoll实例的文件描述字来查找时就可以快速地定位到eventpoll对象了。
最后这个文件描述字作为epoll的文件句柄被返回给epoll\_create的调用者。
```
/*
* Creates all the items needed to setup an eventpoll file. That is,
* a file structure and a free file descriptor.
*/
fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
if (fd < 0) {
error = fd;
goto out_free_ep;
}
file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep,
O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
if (IS_ERR(file)) {
error = PTR_ERR(file);
goto out_free_fd;
}
ep->file = file;
fd_install(fd, file);
return fd;
```
## epoll\_ctl
接下来我们看一下一个套接字是如何被添加到epoll实例中的。这就要解析一下epoll\_ctl函数实现了。
### 查找epoll实例
首先epoll\_ctl函数通过epoll实例句柄来获得对应的匿名文件这一点很好理解UNIX下一切都是文件epoll的实例也是一个匿名文件。
```
//获得epoll实例对应的匿名文件
f = fdget(epfd);
if (!f.file)
goto error_return;
```
接下来获得添加的套接字对应的文件这里tf表示的是target file即待处理的目标文件。
```
/* Get the "struct file *" for the target file */
//获得真正的文件,如监听套接字、读写套接字
tf = fdget(fd);
if (!tf.file)
goto error_fput;
```
再接下来进行了一系列的数据验证以保证用户传入的参数是合法的比如epfd真的是一个epoll实例句柄而不是一个普通文件描述符。
```
/* The target file descriptor must support poll */
//如果不支持poll那么该文件描述字是无效的
error = -EPERM;
if (!tf.file->f_op->poll)
goto error_tgt_fput;
...
```
如果获得了一个真正的epoll实例句柄就可以通过private\_data获取之前创建的eventpoll实例了。
```
/*
* At this point it is safe to assume that the "private_data" contains
* our own data structure.
*/
ep = f.file->private_data;
```
### 红黑树查找
接下来epoll\_ctl通过目标文件和对应描述字在红黑树中查找是否存在该套接字这也是epoll为什么高效的地方。红黑树RB-tree是一种常见的数据结构这里eventpoll通过红黑树跟踪了当前监听的所有文件描述字而这棵树的根就保存在eventpoll数据结构中。
```
/* RB tree root used to store monitored fd structs */
struct rb_root_cached rbr;
```
对于每个被监听的文件描述字都有一个对应的epitem与之对应epitem作为红黑树中的节点就保存在红黑树中。
```
/*
* Try to lookup the file inside our RB tree, Since we grabbed "mtx"
* above, we can be sure to be able to use the item looked up by
* ep_find() till we release the mutex.
*/
epi = ep_find(ep, tf.file, fd);
```
红黑树是一棵二叉树作为二叉树上的节点epitem必须提供比较能力以便可以按大小顺序构建出一棵有序的二叉树。其排序能力是依靠epoll\_filefd结构体来完成的epoll\_filefd可以简单理解为需要监听的文件描述字它对应到二叉树上的节点。
可以看到这个还是比较好理解的,按照文件的地址大小排序。如果两个相同,就按照文件文件描述字来排序。
```
struct epoll_filefd {
struct file *file; // pointer to the target file struct corresponding to the fd
int fd; // target file descriptor number
} __packed;
/* Compare RB tree keys */
static inline int ep_cmp_ffd(struct epoll_filefd *p1,
struct epoll_filefd *p2)
{
return (p1->file > p2->file ? +1:
(p1->file < p2->file ? -1 : p1->fd - p2->fd));
}
```
在进行完红黑树查找之后如果发现是一个ADD操作并且在树中没有找到对应的二叉树节点就会调用ep\_insert进行二叉树节点的增加。
```
case EPOLL_CTL_ADD:
if (!epi) {
epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
error = ep_insert(ep, &epds, tf.file, fd, full_check);
} else
error = -EEXIST;
if (full_check)
clear_tfile_check_list();
break;
```
### ep\_insert
ep\_insert首先判断当前监控的文件值是否超过了/proc/sys/fs/epoll/max\_user\_watches的预设最大值如果超过了则直接返回错误。
```
user_watches = atomic_long_read(&ep->user->epoll_watches);
if (unlikely(user_watches >= max_user_watches))
return -ENOSPC;
```
接下来是分配资源和初始化动作。
```
if (!(epi = kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))
return -ENOMEM;
/* Item initialization follow here ... */
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;
```
再接下来的事情非常重要ep\_insert会为加入的每个文件描述字设置回调函数。这个回调函数是通过函数ep\_ptable\_queue\_proc来进行设置的。这个回调函数是干什么的呢其实对应的文件描述字上如果有事件发生就会调用这个函数比如套接字缓冲区有数据了就会回调这个函数。这个函数就是ep\_poll\_callback。这里你会发现原来内核设计也是充满了事件回调的原理。
```
/*
* This is the callback that is used to add our wait queue to the
* target file wakeup lists.
*/
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;
if (epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE)
add_wait_queue_exclusive(whead, &pwq->wait);
else
add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
epi->nwait++;
} else {
/* We have to signal that an error occurred */
epi->nwait = -1;
}
}
```
### ep\_poll\_callback
ep\_poll\_callback函数的作用非常重要它将内核事件真正地和epoll对象联系了起来。它又是怎么实现的呢
首先通过这个文件的wait\_queue\_entry\_t对象找到对应的epitem对象因为eppoll\_entry对象里保存了wait\_queue\_entry\_t根据wait\_queue\_entry\_t这个对象的地址就可以简单计算出eppoll\_entry对象的地址从而可以获得epitem对象的地址。这部分工作在ep\_item\_from\_wait函数中完成。一旦获得epitem对象就可以寻迹找到eventpoll实例。
```
/*
* This is the callback that is passed to the wait queue wakeup
* mechanism. It is called by the stored file descriptors when they
* have events to report.
*/
static int ep_poll_callback(wait_queue_entry_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key)
{
int pwake = 0;
unsigned long flags;
struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait);
struct eventpoll *ep = epi->ep;
```
接下来,进行一个加锁操作。
```
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
```
下面对发生的事件进行过滤为什么需要过滤呢为了性能考虑ep\_insert向对应监控文件注册的是所有的事件而实际用户侧订阅的事件未必和内核事件对应。比如用户向内核订阅了一个套接字的可读事件在某个时刻套接字的可写事件发生时并不需要向用户空间传递这个事件。
```
/*
* Check the events coming with the callback. At this stage, not
* every device reports the events in the "key" parameter of the
* callback. We need to be able to handle both cases here, hence the
* test for "key" != NULL before the event match test.
*/
if (key && !((unsigned long) key & epi->event.events))
goto out_unlock;
```
接下来,判断是否需要把该事件传递给用户空间。
```
if (unlikely(ep->ovflist != EP_UNACTIVE_PTR)) {
if (epi->next == EP_UNACTIVE_PTR) {
epi->next = ep->ovflist;
ep->ovflist = epi;
if (epi->ws) {
/*
* Activate ep->ws since epi->ws may get
* deactivated at any time.
*/
__pm_stay_awake(ep->ws);
}
}
goto out_unlock;
}
```
如果需要而且该事件对应的event\_item不在eventpoll对应的已完成队列中就把它放入该队列以便将该事件传递给用户空间。
```
/* If this file is already in the ready list we exit soon */
if (!ep_is_linked(&epi->rdllink)) {
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake_rcu(epi);
}
```
我们知道当我们调用epoll\_wait的时候调用进程被挂起在内核看来调用进程陷入休眠。如果该epoll实例上对应描述字有事件发生这个休眠进程应该被唤醒以便及时处理事件。下面的代码就是起这个作用的wake\_up\_locked函数唤醒当前eventpoll上的等待进程。
```
/*
* Wake up ( if active ) both the eventpoll wait list and the ->poll()
* wait list.
*/
if (waitqueue_active(&ep->wq)) {
if ((epi->event.events & EPOLLEXCLUSIVE) &&
!((unsigned long)key & POLLFREE)) {
switch ((unsigned long)key & EPOLLINOUT_BITS) {
case POLLIN:
if (epi->event.events & POLLIN)
ewake = 1;
break;
case POLLOUT:
if (epi->event.events & POLLOUT)
ewake = 1;
break;
case 0:
ewake = 1;
break;
}
}
wake_up_locked(&ep->wq);
}
```
### 查找epoll实例
epoll\_wait函数首先进行一系列的检查例如传入的maxevents应该大于0。
```
/* The maximum number of event must be greater than zero */
if (maxevents <= 0 || maxevents > EP_MAX_EVENTS)
return -EINVAL;
/* Verify that the area passed by the user is writeable */
if (!access_ok(VERIFY_WRITE, events, maxevents * sizeof(struct epoll_event)))
return -EFAULT;
```
和前面介绍的epoll\_ctl一样通过epoll实例找到对应的匿名文件和描述字并且进行检查和验证。
```
/* Get the "struct file *" for the eventpoll file */
f = fdget(epfd);
if (!f.file)
return -EBADF;
/*
* We have to check that the file structure underneath the fd
* the user passed to us _is_ an eventpoll file.
*/
error = -EINVAL;
if (!is_file_epoll(f.file))
goto error_fput;
```
还是通过读取epoll实例对应匿名文件的private\_data得到eventpoll实例。
```
/*
* At this point it is safe to assume that the "private_data" contains
* our own data structure.
*/
ep = f.file->private_data;
```
接下来调用ep\_poll来完成对应的事件收集并传递到用户空间。
```
/* Time to fish for events ... */
error = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout);
```
### ep\_poll
还记得[第23讲](https://time.geekbang.org/column/article/143245)里介绍epoll函数的时候对应的timeout值可以是大于0等于0和小于0么这里ep\_poll就分别对timeout不同值的场景进行了处理。如果大于0则产生了一个超时时间如果等于0则立即检查是否有事件发生。
```
*/
static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events,int maxevents, long timeout)
{
int res = 0, eavail, timed_out = 0;
unsigned long flags;
u64 slack = 0;
wait_queue_entry_t wait;
ktime_t expires, *to = NULL;
if (timeout > 0) {
struct timespec64 end_time = ep_set_mstimeout(timeout);
slack = select_estimate_accuracy(&end_time);
to = &expires;
*to = timespec64_to_ktime(end_time);
} else if (timeout == 0) {
/*
* Avoid the unnecessary trip to the wait queue loop, if the
* caller specified a non blocking operation.
*/
timed_out = 1;
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
goto check_events;
}
```
接下来尝试获得eventpoll上的锁
```
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
```
获得这把锁之后检查当前是否有事件发生如果没有就把当前进程加入到eventpoll的等待队列wq中这样做的目的是当事件发生时ep\_poll\_callback函数可以把该等待进程唤醒。
```
if (!ep_events_available(ep)) {
/*
* Busy poll timed out. Drop NAPI ID for now, we can add
* it back in when we have moved a socket with a valid NAPI
* ID onto the ready list.
*/
ep_reset_busy_poll_napi_id(ep);
/*
* We don't have any available event to return to the caller.
* We need to sleep here, and we will be wake up by
* ep_poll_callback() when events will become available.
*/
init_waitqueue_entry(&wait, current);
__add_wait_queue_exclusive(&ep->wq, &wait);
```
紧接着是一个无限循环, 这个循环中通过调用schedule\_hrtimeout\_range将当前进程陷入休眠CPU时间被调度器调度给其他进程使用当然当前进程可能会被唤醒唤醒的条件包括有以下四种
1. 当前进程超时;
2. 当前进程收到一个signal信号
3. 某个描述字上有事件发生;
4. 当前进程被CPU重新调度进入for循环重新判断如果没有满足前三个条件就又重新进入休眠。
对应的1、2、3都会通过break跳出循环直接返回。
```
//这个循环里,当前进程可能会被唤醒,唤醒的途径包括
//1.当前进程超时
//2.当前进行收到一个signal信号
//3.某个描述字上有事件发生
//对应的1.2.3都会通过break跳出循环
//第4个可能是当前进程被CPU重新调度进入for循环的判断如果没有满足1.2.3的条件,就又重新进入休眠
for (;;) {
/*
* We don't want to sleep if the ep_poll_callback() sends us
* a wakeup in between. That's why we set the task state
* to TASK_INTERRUPTIBLE before doing the checks.
*/
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/*
* Always short-circuit for fatal signals to allow
* threads to make a timely exit without the chance of
* finding more events available and fetching
* repeatedly.
*/
if (fatal_signal_pending(current)) {
res = -EINTR;
break;
}
if (ep_events_available(ep) || timed_out)
break;
if (signal_pending(current)) {
res = -EINTR;
break;
}
spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
//通过调用schedule_hrtimeout_range当前进程进入休眠CPU时间被调度器调度给其他进程使用
if (!schedule_hrtimeout_range(to, slack, HRTIMER_MODE_ABS))
timed_out = 1;
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
}
```
如果进程从休眠中返回则将当前进程从eventpoll的等待队列中删除并且设置当前进程为TASK\_RUNNING状态。
```
//从休眠中结束将当前进程从wait队列中删除设置状态为TASK_RUNNING接下来进入check_events来判断是否是有事件发生
__remove_wait_queue(&ep->wq, &wait);
__set_current_state(TASK_RUNNING);
```
最后调用ep\_send\_events将事件拷贝到用户空间。
```
//ep_send_events将事件拷贝到用户空间
/*
* Try to transfer events to user space. In case we get 0 events and
* there's still timeout left over, we go trying again in search of
* more luck.
*/
if (!res && eavail &&
!(res = ep_send_events(ep, events, maxevents)) && !timed_out)
goto fetch_events;
return res;
```
### ep\_send\_events
ep\_send\_events这个函数会将ep\_send\_events\_proc作为回调函数并调用ep\_scan\_ready\_list函数ep\_scan\_ready\_list函数调用ep\_send\_events\_proc对每个已经就绪的事件循环处理。
ep\_send\_events\_proc循环处理就绪事件时会再次调用每个文件描述符的poll方法以便确定确实有事件发生。为什么这样做呢这是为了确定注册的事件在这个时刻还是有效的。
可以看到尽管ep\_send\_events\_proc已经尽可能的考虑周全使得用户空间获得的事件通知都是真实有效的但还是有一定的概率当ep\_send\_events\_proc再次调用文件上的poll函数之后用户空间获得的事件通知已经不再有效这可能是用户空间已经处理掉了或者其他什么情形。还记得[第22讲](https://time.geekbang.org/column/article/141573)吗在这种情况下如果套接字不是非阻塞的整个进程将会被阻塞这也是为什么将非阻塞套接字配合epoll使用作为最佳实践的原因。
在进行简单的事件掩码校验之后ep\_send\_events\_proc将事件结构体拷贝到用户空间需要的数据结构中。这是通过\_\_put\_user方法完成的。
```
//这里对一个fd再次进行poll操作以确认事件
revents = ep_item_poll(epi, &pt);
/*
* If the event mask intersect the caller-requested one,
* deliver the event to userspace. Again, ep_scan_ready_list()
* is holding "mtx", so no operations coming from userspace
* can change the item.
*/
if (revents) {
if (__put_user(revents, &uevent->events) ||
__put_user(epi->event.data, &uevent->data)) {
list_add(&epi->rdllink, head);
ep_pm_stay_awake(epi);
return eventcnt ? eventcnt : -EFAULT;
}
eventcnt++;
uevent++;
```
## Level-triggered VS Edge-triggered
在[前面的](https://time.geekbang.org/column/article/143245)[文章](https://time.geekbang.org/column/article/143245)里我们一直都在强调level-triggered和edge-triggered之间的区别。
从实现角度来看其实非常简单在ep\_send\_events\_proc函数的最后针对level-triggered情况当前的epoll\_item对象被重新加到eventpoll的就绪列表中这样在下一次epoll\_wait调用时这些epoll\_item对象就会被重新处理。
在前面我们提到在最终拷贝到用户空间有效事件列表中之前会调用对应文件的poll方法以确定这个事件是不是依然有效。所以如果用户空间程序已经处理掉该事件就不会被再次通知如果没有处理意味着该事件依然有效就会被再次通知。
```
//这里是Level-triggered的处理可以看到在Level-triggered的情况下这个事件被重新加回到ready list里面
//这样下一轮epoll_wait的时候这个事件会被重新check
else if (!(epi->event.events & EPOLLET)) {
/*
* If this file has been added with Level
* Trigger mode, we need to insert back inside
* the ready list, so that the next call to
* epoll_wait() will check again the events
* availability. At this point, no one can insert
* into ep->rdllist besides us. The epoll_ctl()
* callers are locked out by
* ep_scan_ready_list() holding "mtx" and the
* poll callback will queue them in ep->ovflist.
*/
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
}
```
## epoll VS poll/select
最后我们从实现角度来说明一下为什么epoll的效率要远远高于poll/select。
首先poll/select先将要监听的fd从用户空间拷贝到内核空间, 然后在内核空间里面进行处理之后再拷贝给用户空间。这里就涉及到内核空间申请内存释放内存等等过程这在大量fd情况下是非常耗时的。而epoll维护了一个红黑树通过对这棵黑红树进行操作可以避免大量的内存申请和释放的操作而且查找速度非常快。
下面的代码就是poll/select在内核空间申请内存的展示。可以看到select 是先尝试申请栈上资源, 如果需要监听的fd比较多, 就会去申请堆空间的资源。
```
int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
fd_set __user *exp, struct timespec64 *end_time)
{
fd_set_bits fds;
void *bits;
int ret, max_fds;
size_t size, alloc_size;
struct fdtable *fdt;
/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be faster */
long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
ret = -EINVAL;
if (n < 0)
goto out_nofds;
/* max_fds can increase, so grab it once to avoid race */
rcu_read_lock();
fdt = files_fdtable(current->files);
max_fds = fdt->max_fds;
rcu_read_unlock();
if (n > max_fds)
n = max_fds;
/*
* We need 6 bitmaps (in/out/ex for both incoming and outgoing),
* since we used fdset we need to allocate memory in units of
* long-words.
*/
size = FDS_BYTES(n);
bits = stack_fds;
if (size > sizeof(stack_fds) / 6) {
/* Not enough space in on-stack array; must use kmalloc */
ret = -ENOMEM;
if (size > (SIZE_MAX / 6))
goto out_nofds;
alloc_size = 6 * size;
bits = kvmalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);
if (!bits)
goto out_nofds;
}
fds.in = bits;
fds.out = bits + size;
fds.ex = bits + 2*size;
fds.res_in = bits + 3*size;
fds.res_out = bits + 4*size;
fds.res_ex = bits + 5*size;
...
```
第二select/poll从休眠中被唤醒时如果监听多个fd只要其中有一个fd有事件发生内核就会遍历内部的list去检查到底是哪一个事件到达并没有像epoll一样, 通过fd直接关联eventpoll对象快速地把fd直接加入到eventpoll的就绪列表中。
```
static int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec64 *end_time)
{
...
retval = 0;
for (;;) {
unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;
bool can_busy_loop = false;
inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;
for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;
unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;
in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
all_bits = in | out | ex;
if (all_bits == 0) {
i += BITS_PER_LONG;
continue;
}
if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE,
to, slack))
timed_out = 1;
...
```
## 总结
在这次答疑中我希望通过深度分析epoll的源码实现帮你理解epoll的实现原理。
epoll维护了一棵红黑树来跟踪所有待检测的文件描述字黑红树的使用减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配大大提高了性能。
同时epoll维护了一个链表来记录就绪事件内核在每个文件有事件发生时将自己登记到这个就绪事件列表中通过内核自身的文件file-eventpoll之间的回调和唤醒机制减少了对内核描述字的遍历大大加速了事件通知和检测的效率这也为level-triggered和edge-triggered的实现带来了便利。
通过对比poll/select的实现我们发现epoll确实克服了poll/select的种种弊端不愧是Linux下高性能网络编程的皇冠。我们应该感谢Linux社区的大神们设计了这么强大的事件分发机制让我们在Linux下可以享受高性能网络服务器带来的种种技术红利。