一辽剧、從網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)說起

下圖是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖臂寝，計(jì)算機(jī)由CPU章鲤、存儲(chǔ)器（內(nèi)存）、網(wǎng)絡(luò)接口等部件組成咆贬。了解epoll本質(zhì)的第一步败徊，要從硬件的角度看計(jì)算機(jī)怎樣接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

下圖展示了網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)的過程掏缎。在①階段皱蹦，網(wǎng)卡收到網(wǎng)線傳來的數(shù)據(jù)；經(jīng)過②階段的硬件電路的傳輸眷蜈；最終將數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存中的某個(gè)地址上（③階段）沪哺。這個(gè)過程涉及到DMA傳輸、IO通路選擇等硬件有關(guān)的知識(shí)酌儒，但我們只需知道：網(wǎng)卡會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存辜妓。

網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)的過程

通過硬件傳輸，網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存中忌怎。操作系統(tǒng)就可以去讀取它們籍滴。

二、如何知道接收了數(shù)據(jù)榴啸？

了解epoll本質(zhì)的第二步孽惰，要從CPU的角度來看數(shù)據(jù)接收。要理解這個(gè)問題插掂，要先了解一個(gè)概念——中斷灰瞻。

計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)腥例，會(huì)有優(yōu)先級(jí)的需求辅甥。比如，當(dāng)計(jì)算機(jī)收到斷電信號(hào)時(shí)（電容可以保存少許電量燎竖，供CPU運(yùn)行很短的一小段時(shí)間）璃弄，它應(yīng)立即去保存數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)的程序具有較高的優(yōu)先級(jí)构回。

一般而言夏块，由硬件產(chǎn)生的信號(hào)需要cpu立馬做出回應(yīng)（不然數(shù)據(jù)可能就丟失），所以它的優(yōu)先級(jí)很高纤掸。cpu理應(yīng)中斷掉正在執(zhí)行的程序脐供，去做出響應(yīng)；當(dāng)cpu完成對(duì)硬件的響應(yīng)后借跪，再重新執(zhí)行用戶程序政己。中斷的過程如下圖，和函數(shù)調(diào)用差不多掏愁。只不過函數(shù)調(diào)用是事先定好位置歇由，而中斷的位置由“信號(hào)”決定卵牍。

中斷程序調(diào)用

以鍵盤為例，當(dāng)用戶按下鍵盤某個(gè)按鍵時(shí)沦泌，鍵盤會(huì)給cpu的中斷引腳發(fā)出一個(gè)高電平糊昙。cpu能夠捕獲這個(gè)信號(hào)，然后執(zhí)行鍵盤中斷程序谢谦。下圖展示了各種硬件通過中斷與cpu交互释牺。

cpu中斷

現(xiàn)在可以回答本節(jié)提出的問題了：當(dāng)網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存后，網(wǎng)卡向cpu發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)他宛，操作系統(tǒng)便能得知有新數(shù)據(jù)到來船侧，再通過網(wǎng)卡中斷程序去處理數(shù)據(jù)。

三厅各、進(jìn)程阻塞為什么不占用cpu資源镜撩？

了解epoll本質(zhì)的第三步，要從操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度的角度來看數(shù)據(jù)接收队塘。阻塞是進(jìn)程調(diào)度的關(guān)鍵一環(huán)袁梗，指的是進(jìn)程在等待某事件（如接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)）發(fā)生之前的等待狀態(tài)，recv憔古、select和epoll都是阻塞方法遮怜。了解“進(jìn)程阻塞為什么不占用cpu資源？”鸿市，也就能夠了解這一步锯梁。

為簡(jiǎn)單起見，我們從普通的recv接收開始分析焰情，先看看下面代碼：

//創(chuàng)建socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
//綁定
bind(s, ...)
//監(jiān)聽
listen(s, ...)
//接受客戶端連接
int c = accept(s, ...)
//接收客戶端數(shù)據(jù)
recv(c, ...);
//將數(shù)據(jù)打印出來
printf(...)

這是一段最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)編程代碼陌凳，先新建socket對(duì)象，依次調(diào)用bind内舟、listen合敦、accept，最后調(diào)用recv接收數(shù)據(jù)验游。recv是個(gè)阻塞方法充岛，當(dāng)程序運(yùn)行到recv時(shí)，它會(huì)一直等待耕蝉，直到接收到數(shù)據(jù)才往下執(zhí)行崔梗。

插入：如果您還不太熟悉網(wǎng)絡(luò)編程，歡迎閱讀我編寫的《Unity3D網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)崙?zhàn)(第2版)》垒在，會(huì)有詳細(xì)的介紹蒜魄。

那么阻塞的原理是什么？

工作隊(duì)列

操作系統(tǒng)為了支持多任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程調(diào)度的功能权悟，會(huì)把進(jìn)程分為“運(yùn)行”和“等待”等幾種狀態(tài)砸王。運(yùn)行狀態(tài)是進(jìn)程獲得cpu使用權(quán)，正在執(zhí)行代碼的狀態(tài)峦阁；等待狀態(tài)是阻塞狀態(tài)谦铃，比如上述程序運(yùn)行到recv時(shí)，程序會(huì)從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榈却隣顟B(tài)榔昔，接收到數(shù)據(jù)后又變回運(yùn)行狀態(tài)驹闰。操作系統(tǒng)會(huì)分時(shí)執(zhí)行各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，由于速度很快撒会，看上去就像是同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)嘹朗。

下圖中的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行著A、B诵肛、C三個(gè)進(jìn)程屹培，其中進(jìn)程A執(zhí)行著上述基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)程序，一開始怔檩，這3個(gè)進(jìn)程都被操作系統(tǒng)的工作隊(duì)列所引用褪秀，處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)分時(shí)執(zhí)行薛训。

工作隊(duì)列中有A媒吗、B和C三個(gè)進(jìn)程

等待隊(duì)列

當(dāng)進(jìn)程A執(zhí)行到創(chuàng)建socket的語句時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)由文件系統(tǒng)管理的socket對(duì)象（如下圖）乙埃。這個(gè)socket對(duì)象包含了發(fā)送緩沖區(qū)闸英、接收緩沖區(qū)、等待隊(duì)列等成員介袜。等待隊(duì)列是個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)甫何，它指向所有需要等待該socket事件的進(jìn)程。

創(chuàng)建socket

當(dāng)程序執(zhí)行到recv時(shí)米酬，操作系統(tǒng)會(huì)將進(jìn)程A從工作隊(duì)列移動(dòng)到該socket的等待隊(duì)列中（如下圖）沛豌。由于工作隊(duì)列只剩下了進(jìn)程B和C趋箩，依據(jù)進(jìn)程調(diào)度赃额，cpu會(huì)輪流執(zhí)行這兩個(gè)進(jìn)程的程序，不會(huì)執(zhí)行進(jìn)程A的程序叫确。所以進(jìn)程A被阻塞跳芳，不會(huì)往下執(zhí)行代
碼，也不會(huì)占用cpu資源竹勉。

socket的等待隊(duì)列

ps：操作系統(tǒng)添加等待隊(duì)列只是添加了對(duì)這個(gè)“等待中”進(jìn)程的引用飞盆，以便在接收到數(shù)據(jù)時(shí)獲取進(jìn)程對(duì)象、將其喚醒，而非直接將進(jìn)程管理納入自己之下吓歇。上圖為了方便說明孽水，直接將進(jìn)程掛到等待隊(duì)列之下。

喚醒進(jìn)程

當(dāng)socket接收到數(shù)據(jù)后城看，操作系統(tǒng)將該socket等待隊(duì)列上的進(jìn)程重新放回到工作隊(duì)列女气，該進(jìn)程變成運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行代碼测柠。也由于socket的接收緩沖區(qū)已經(jīng)有了數(shù)據(jù)炼鞠，recv可以返回接收到的數(shù)據(jù)。

四轰胁、內(nèi)核接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)全過程

這一步谒主，貫穿網(wǎng)卡、中斷赃阀、進(jìn)程調(diào)度的知識(shí)霎肯，敘述阻塞recv下，內(nèi)核接收數(shù)據(jù)全過程榛斯。
進(jìn)程在recv阻塞期間姿现，計(jì)算機(jī)收到了對(duì)端傳送的數(shù)據(jù)（步驟①）。數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)卡傳送到內(nèi)存（步驟②）肖抱，然后網(wǎng)卡通過中斷信號(hào)通知cpu有數(shù)據(jù)到達(dá)备典，cpu執(zhí)行中斷程序（步驟③）。此處的中斷程序主要有兩項(xiàng)功能意述，先將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫入到對(duì)應(yīng)socket的接收緩沖區(qū)里面（步驟④）提佣，再喚醒進(jìn)程A（步驟⑤），重新將進(jìn)程A放入工作隊(duì)列中荤崇。
喚醒進(jìn)程
以上是內(nèi)核接收數(shù)據(jù)全過程

五拌屏、同時(shí)監(jiān)視多個(gè)socket的簡(jiǎn)單方法

服務(wù)端需要管理多個(gè)客戶端連接，而recv只能監(jiān)視單個(gè)socket术荤，這種矛盾下倚喂，人們開始尋找監(jiān)視多個(gè)socket的方法。epoll的要義是高效的監(jiān)視多個(gè)socket瓣戚。從歷史發(fā)展角度看端圈，必然先出現(xiàn)一種不太高效的方法，人們?cè)偌右愿倪M(jìn)子库。只有先理解了不太高效的方法舱权，才能夠理解epoll的本質(zhì)。

假如能夠預(yù)先傳入一個(gè)socket列表仑嗅，如果列表中的socket都沒有數(shù)據(jù)宴倍，掛起進(jìn)程张症，直到有一個(gè)socket收到數(shù)據(jù)，喚醒進(jìn)程鸵贬。這種方法很直接俗他，也是select的設(shè)計(jì)思想。

為方便理解阔逼，我們先復(fù)習(xí)select的用法拯辙。在如下的代碼中，先準(zhǔn)備一個(gè)數(shù)組（下面代碼中的fds）颜价，讓fds存放著所有需要監(jiān)視的socket涯保。然后調(diào)用select，如果fds中的所有socket都沒有數(shù)據(jù)周伦，select會(huì)阻塞夕春，直到有一個(gè)（也可以是多個(gè)）socket接收到數(shù)據(jù)，select返回专挪，喚醒進(jìn)程及志。用戶可以遍歷fds，通過FD_ISSET判斷具體哪個(gè)socket收到數(shù)據(jù)寨腔，然后做出處理速侈。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
bind(s, ...)
listen(s, ...) 
int fds[] =  存放需要監(jiān)聽的socket 
while(1){
    int n = select(..., fds, ...)
    for(int i=0; i < fds.count; i++){
        if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
            //fds[i]的數(shù)據(jù)處理
        }    
    }
}

select的流程
select的實(shí)現(xiàn)思路很直接。假如程序同時(shí)監(jiān)視sock1迫卢、sock2和sock3三個(gè)socket倚搬，那么在調(diào)用select之后，操作系統(tǒng)把進(jìn)程A（包括了select邏輯）分別加入這三個(gè)socket的等待隊(duì)列中（前文說過乾蛤，放的其實(shí)是進(jìn)程A的引用）每界。
操作系統(tǒng)把進(jìn)程A分別加入這三個(gè)socket的等待隊(duì)列中
當(dāng)任何一個(gè)socket收到數(shù)據(jù)后，中斷程序?qū)酒疬M(jìn)程家卖。下圖展示了sock2接收到了數(shù)據(jù)的處理流程眨层。

ps：recv和select的中斷回調(diào)可以設(shè)置成不同的內(nèi)容。

sock2接收到了數(shù)據(jù)上荡，中斷程序喚起進(jìn)程A

所謂喚起進(jìn)程趴樱，就是將進(jìn)程從所有的等待隊(duì)列中移除，加入到工作隊(duì)列里面酪捡。

經(jīng)由這些步驟叁征，當(dāng)進(jìn)程被喚醒后，它知道至少有一個(gè)socket接收了數(shù)據(jù)沛善。程序只需遍歷一遍socket列表航揉，就可以得到就緒的socket塞祈。

這種簡(jiǎn)單方式行之有效金刁，在幾乎所有操作系統(tǒng)都有對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)帅涂。

select的缺點(diǎn)：

但是簡(jiǎn)單的方法往往有缺點(diǎn)，主要是：

其一尤蛮，每次調(diào)用select都需要將進(jìn)程加入到所有監(jiān)視socket的等待隊(duì)列媳友，每次喚醒都需要從每個(gè)隊(duì)列中移除。這里涉及了兩次遍歷（遍歷進(jìn)程A關(guān)心的所有socket产捞，需要注意的是添加從等待隊(duì)列頭部添加醇锚，刪除通過回調(diào)直接實(shí)現(xiàn)，所以每個(gè)socket的等待隊(duì)列不用遍歷）坯临，而且每次都要將整個(gè)fds列表傳遞給內(nèi)核焊唬，有一定的開銷。正是因?yàn)楸闅v操作開銷大看靠，出于效率的考量赶促，才會(huì)規(guī)定select的最大監(jiān)視數(shù)量，默認(rèn)只能監(jiān)視1024個(gè)socket挟炬。

其二鸥滨，進(jìn)程被喚醒后，程序并不知道哪些socket收到數(shù)據(jù)谤祖，還需要遍歷一次（這一次遍歷是在應(yīng)用層）婿滓。

那么，有沒有減少遍歷的方法粥喜？有沒有保存就緒socket的方法凸主？這兩個(gè)問題便是epoll技術(shù)要解決的。

當(dāng)程序調(diào)用select時(shí)额湘，內(nèi)核會(huì)先遍歷一遍socket秕铛，如果有一個(gè)以上的socket接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，那么select直接返回缩挑，不會(huì)阻塞但两。這也是為什么select的返回值有可能大于1的原因之一。如果沒有socket有數(shù)據(jù)供置，進(jìn)程才會(huì)阻塞

六谨湘、epoll的設(shè)計(jì)思路

epoll是在select出現(xiàn)N多年后才被發(fā)明的，是select和poll的增強(qiáng)版本芥丧。epoll通過以下一些措施來改進(jìn)效率紧阔。

措施一：功能分離

select低效的原因之一是將“維護(hù)等待隊(duì)列”和“阻塞進(jìn)程”兩個(gè)步驟合二為一。如下圖所示续担，每次調(diào)用select都需要這兩步操作擅耽，然而大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中，需要監(jiān)視的socket相對(duì)固定物遇，并不需要每次都修改乖仇。epoll將這兩個(gè)操作分開憾儒，先用epoll_ctl維護(hù)等待隊(duì)列，再調(diào)用epoll_wait阻塞進(jìn)程（解耦）乃沙。顯而易見的起趾，效率就能得到提升。

相比select警儒，epoll拆分了功能

為方便理解后續(xù)的內(nèi)容训裆，我們先復(fù)習(xí)下epoll的用法。如下的代碼中蜀铲，先用epoll_create創(chuàng)建一個(gè)epoll對(duì)象epfd边琉，再通過epoll_ctl將需要監(jiān)視的socket添加到epfd中，最后調(diào)用epoll_wait等待數(shù)據(jù)记劝。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...)
listen(s, ...) 
int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //將所有需要監(jiān)聽的socket添加到epfd中 
while(1){
    int n = epoll_wait(...)
    for(接收到數(shù)據(jù)的socket){ 
       //處理    
    }
}

功能分離艺骂，使得epoll有了優(yōu)化的可能。

措施二：就緒列表

select低效的另一個(gè)原因在于程序不知道哪些socket收到數(shù)據(jù)隆夯，只能一個(gè)個(gè)遍歷钳恕。如果內(nèi)核維護(hù)一個(gè)“就緒列表”，引用收到數(shù)據(jù)的socket蹄衷，就能避免遍歷忧额。如下圖所示，計(jì)算機(jī)共有三個(gè)socket愧口，收到數(shù)據(jù)的sock2和sock3被rdlist（就緒列表）所引用睦番。當(dāng)進(jìn)程被喚醒后，只要獲取rdlist的內(nèi)容耍属，就能夠知道哪些socket收到數(shù)據(jù)托嚣。（這里引出了另一個(gè)問題：

什么時(shí)候select優(yōu)于epoll？

一般認(rèn)為如果在并發(fā)量低厚骗，socket都比較活躍的情況下示启，select效率更高，也就是說活躍socket數(shù)目與監(jiān)控的總的socket數(shù)目之比越大领舰，select效率越高夫嗓，因?yàn)閟elect反正都會(huì)遍歷所有的socket，如果比例大冲秽，就沒有白白遍歷舍咖。加之于select本身實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，導(dǎo)致總體現(xiàn)象比epoll好）