[转] epoll 作用的解释 - Linux | 梧—

前两天面试被问到 epoll, 虽然之前研究过但没有解释得很好，所以再来深入研究下 epoll.

epoll 是 linux 提供的 IO 多路复用的一种机制，之前没有弄得很懂。知乎上看到一片对 IO 的几种机制和 epoll 作用解释得很易懂的文章，这里转过来，之后具体研究 epoll 的原理.

# 1. 正文

首先我们来定义流的概念，一个流可以是文件，socket，pipe 等等可以进行 I/O 操作的内核对象。

不管是文件，还是套接字，还是管道，我们都可以把他们看作流。

之后我们来讨论 I/O 的操作，通过 read，我们可以从流中读入数据；通过 write，我们可以往流写入数据。现在假定一个情形，我们需要从流中读数据，

但是流中还没有数据，（典型的例子为，客户端要从 socket 读如数据，但是服务器还没有把数据传回来），这时候该怎么办？

阻塞。阻塞是个什么概念呢？比如某个时候你在等快递，但是你不知道快递什么时候过来，而且你没有别的事可以干（或者说接下来的事要等快递来了才能做）；那么你可以去睡觉了，因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话（假定一定能叫醒你）。
非阻塞忙轮询。接着上面等快递的例子，如果用忙轮询的方法，那么你需要知道快递员的手机号，然后每分钟给他挂个电话：“你到了没？”

很明显一般人不会用第二种做法，不仅显很无脑，浪费话费不说，还占用了快递员大量的时间。
大部分程序也不会用第二种做法，因为第一种方法经济而简单，经济是指消耗很少的 CPU 时间，如果线程睡眠了，就掉出了系统的调度队列，暂时不会去瓜分 CPU 宝贵的时间片了。

为了了解阻塞是如何进行的，我们来讨论缓冲区，以及内核缓冲区，最终把 I/O 事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁 I/O 操作而引起频繁的系统调用（你知道它很慢的），当你操作一个流时，更多的是以缓冲区为单位进行操作，这是相对于用户空间而言。对于内核来说，也需要缓冲区。

假设有一个管道，进程 A 为管道的写入方，Ｂ为管道的读出方。

假设一开始内核缓冲区是空的，B 作为读出方，被阻塞着。然后首先 A 往管道写入，这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态，内核就会产生一个事件告诉Ｂ该醒来了，这个事件姑且称之为 “缓冲区非空”。
但是 “缓冲区非空” 事件通知 B 后，B 却还没有读出数据；且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候，Ａ写入的数据会滞留在内核缓冲区中，如果内核也缓冲区满了，B 仍未开始读数据，最终内核缓冲区会被填满，这个时候会产生一个 I/O 事件，告诉进程 A，你该等等（阻塞）了，我们把这个事件定义为 “缓冲区满”。
假设后来Ｂ终于开始读数据了，于是内核的缓冲区空了出来，这时候内核会告诉 A，内核缓冲区有空位了，你可以从长眠中醒来了，继续写数据了，我们把这个事件叫做 “缓冲区非满”
也许事件 Y1 已经通知了 A，但是 A 也没有数据写入了，而Ｂ继续读出数据，知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉 B，你需要阻塞了！，我们把这个时间定为 “缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个 I/O 事件，缓冲区满，缓冲区空，缓冲区非空，缓冲区非满（注都是说的内核缓冲区，且这四个术语都是我生造的，仅为解释其原理而造）。这四个 I/O 事件是进行阻塞同步的根本。（如果不能理解 “同步” 是什么概念，请学习操作系统的锁，信号量，条件变量等任务同步方面的相关知识）。

然后我们来说说阻塞 I/O 的缺点。但是阻塞 I/O 模式下，一个线程只能处理一个流的 I/O 事件。如果想要同时处理多个流，要么多进程 (fork)，要么多线程 (pthread_create)，很不幸这两种方法效率都不高。
于是再来考虑非阻塞忙轮询的 I/O 方式，我们发现我们可以同时处理多个流了（把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论）：

while true {
  	for i in stream[] {
    	if i has data
         	read until unavailable
	}
}

我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍，又从头开始。这样就可以处理多个流了，但这样的做法显然不好，因为如果所有的流都没有数据，那么只会白白浪费 CPU。这里要补充一点，阻塞模式下，内核对于 I/O 事件的处理是阻塞或者唤醒，而非阻塞模式下则把 I/O 事件交给其他对象（后文介绍的 select 以及 epoll）处理甚至直接忽略。

为了避免 CPU 空转，可以引进了一个代理（一开始有一位叫做 select 的代理，后来又有一位叫做 poll 的代理，不过两者的本质是一样的）。这个代理比较厉害，可以同时观察许多流的 I/O 事件，在空闲的时候，

会把当前线程阻塞掉

，当有一个或多个流有 I/O 事件时，就从阻塞态中醒来，于是我们的程序就会轮询一遍所有的流（于是我们可以把 “忙” 字去掉了）。代码长这样:

while true {
  	select(streams[])
  	for i in streams[] {
  		if i has data
    		read until unavailable

  	}
}

于是，如果没有 I/O 事件产生，我们的程序就会阻塞在 select 处。但是依然有个问题，我们从 select 那里仅仅知道了，有 I/O 事件发生了，但却并不知道是那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能

无差别轮询

所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。

但是使用 select，我们有 O (n) 的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，每一次无差别轮询时间就越长。再次

说了这么多，终于能好好解释 epoll 了

epoll 可以理解为 event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll 之会把哪个流发生了怎样的 I/O 事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了 O (k)，k 为产生 I/O 事件的流的个数，也有认为 O (1) 的 [更新 1]）

在讨论 epoll 的实现细节之前，先把 epoll 的相关操作列出 [更新 2]：

epoll_create 创建一个 epoll 对象，一般 epollfd = epoll_create()
epoll_ctl （epoll_add/epoll_del 的合体），往 epoll 对象中增加 / 删除某一个流的某一个事件
比如
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN); //有缓冲区内有数据时epoll_wait返回
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT); //缓冲区可写入时epoll_wait返回
epoll_wait(epollfd,...) 等待直到注册的事件发生

（注：当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空，write/read 会返回 - 1，并设置 errno=EAGAIN。而 epoll 只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件）。

一个 epoll 模式的代码大概的样子是：

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till unavailable
	}
}

限于篇幅，我只说这么多，以揭示原理性的东西，至于 epoll 的使用细节，请参考 man 和 google，实现细节，请参阅 linux kernel source。

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作者：蓝形参

链接：https://www.zhihu.com/question/20122137/answer/14049112

# 1. 正文

c++中unordered_map的实现

epoll的实现机制