IO复用模型之Epoll
epoll的原理和用法
设想一个场景：有100万用户同时与一个进程保持着TCP连接，而每一时刻只有几十个或几百个TCP连接是活跃的(接收到TCP包)，也就是说，每一时刻进程只需要处理这100万连接中的极少一部分连接。那么如何才能高效地处理这种场景呢？进程是否在每次询问操作系统收集有事件发生的TCP连接时，把这100万个连接告诉操作系统，然后由操作系统找出其中有事件发生的几百个连接呢？实际上，在Linux2.4版本之前，那时的select和poll就是这么做的。
这里有个明显的问题，即在某一时刻，进程收集有时间发生的连接时，其实这100万连接中的大部分都是没有事件发生的。因此，如果每次收集事件时，都把这100万连接的套接字传给操作系统(这必然牵涉大量用户态到内核态的拷贝)，而由操作系统内核寻找连接上有没有要处理的事件，将会是巨大的资源浪费。而select和poll就是这么做的，因此它们最多只能处理几千个并发连接。
但epoll不这么做，它在Linux内核中申请一个简易的文件系统，把原先的select或poll调用分成3部分：调用epoll_create建立一个epoll对象(在epoll文件系统中给这个句柄分配资源)、调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接、调用epoll_wait收集发生事件的连接。这样，只需要在进程启动时建立1个epoll对象，并在需要的时候向它添加或删除连接就可以了。因此，在实际收集事件时，epoll_wait的效率就会非常高，因为调用epoll_wait并不会将100万个连接全部传递过去，内核也不需要遍历全部的连接。
未命名文件-3.png
当一个进程调用epoll_create时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这和结构中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。
struct eventpoll{
struct rb_root rbr; // 红黑树的根节点
struct list_head rdllist; // 双向链表，保存有事件发生的连接，由epoll_wait返回
...
}
每个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，这个结构体会在内核空间中创造独立的内存，用于存储使用epoll_ctl方法向epoll对象添加进来的事件。这些事件都会挂到rbr红黑树中，这样，重复添加的时间就能通过红黑树的性质高效地识别出来。
所有添加到epoll中的事件都会与设备驱动程序建立回调关系，也就是说，相应的事件发生时会调用关联的毁掉方法。这个回调方法在内核中叫做ep_poll_callback，它会把这样的事件放到上面的rdllist双向链表中。在epoll中，每一个事件都会创建一个epitem结构体。
struct epitem{
struct rb_node rbn; // 红黑树节点
struct list_head rdllink; // 双向链表节点
struct epoll_filefd ffd; // 事件句柄等信息
struct eventpoll *ep; // 指向其所属的eventpoll对象
struct epoll_event event; // 期待的事件类型
...
}
这里包含着每个事件对应的信息。
当调用epoll_wait检查是否有发生事件的连接时，只需要检查eventpoll中rdllist双向链表中是否有epitem元素。如果rdllist链表不为空，则把这里的事件复制到用户态内存中，同时把事件数量返回给用户。因此，epoll_wait的效率非常高。epoll_wait在向epoll对象中添加、修改、删除时，从红黑树中查找事件也非常快，也就是说，epoll是非常高效的，它可以轻易处理百万级别的并发连接。
如何使用epoll
epoll通过下面3个epoll系统调用来发挥作用
- epoll_create系统调用
int epoll_create(int size);
epoll_create返回一个句柄，之后epoll的使用都将依靠这个句柄来标识。参数size告诉epoll要处理的大致事件数目。不再使用epoll时，必须使用close关闭这个句柄。
注意，
size参数只是告诉内核大致的处理数目，而不是最大处理个数。
- epoll_ctl系统调用
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
epoll_ctl向epoll对象中添加、修改、删除事件，返回0表示成功，否则返回-1，此时根据errno变量分析具体错误类型。epoll_wait方法返回的事件必然是通过epoll_ctl添加到epoll中的。参数epfd是epoll_create返回的句柄。op参数见下表。
| op的取值 | 含义 |
|---|---|
| EPOLL_CTL_ADD | 添加新的事件到epoll中 |
| EPOLL_CTL_MOD | 修改epoll中的事件 |
| EPOLL_CTL_DEL | 删除epoll中的事件 |
第三个参数fd是待检测的连接套接字，第四个参数event告诉epoll对什么事件感兴趣，它使用了epoll_event结构体，在上面介绍过的epoll机制中会为每个事件创建epitem结构体，而在epitem结构体中有个epoll_event成员。epoll_event定义如下。
struct epoll_event{
__uint32_t events;
epoll_data_t data;
}
events取值见下表。
| events取值 | 含义 |
|---|---|
| EPOLLIN | 表示对应连接上有数据可以读出(TCP连接的远端主动关闭连接，也相当于可读事件，因为需要处理到来的FIN包) |
| RPOLLOUT | 表示对应的连接上可以写入数据发送 |
| EPOLLRDHUP | 表示TCP连接的对端关闭或半关闭 |
| EPOLLPRI | 表示对端有紧急数据发送 |
| EPOLLERR | 表示连接发生错误 |
| EPOLLHUP | 表示连接被挂起 |
| EPOLLET | 设置触发方式为边缘触发(ET)， 默认是水平触发(LT) |
| EPOLLONESHOT | 表示对这个事件只处理一次，下次处理时需重新加入epoll |
而data是一个epoll_data联合体。
typedef struct union epoll_data{
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
- epoll_wait系统调用
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
收集在epoll监控中已经发生的事件，如果epoll中没有任何事件发生，则最多等待timeout毫秒后返回。epoll_wait的返回值表示当前发生的事件个数。如果返回0，则表示本次调用中没有事件发生；如果返回-1，表示出现错误，需要检查errno变量。
第1个参数epfd照例是epoll_create返回的句柄。第2个参数events则是分配好的epoll_event结构体数组，epoll会把发生的事件拷贝到events数组中(events不能为空，内核只负责吧数据复制到这个数组中，不负责在用户态分配内存)。第3个参数maxevents表示本次可以返回的最大事件数目，通常和预分配完成的events数组长度相同。第4个参数timeout表示在没有事件发生时等待的最长时间(毫秒), 如果为0，则表示epoll_wait不会等待，立即返回。
两种模式
epoll有LT和ET两种工作模式。默认LT,这时可以处理阻塞和非阻塞套接字。而上面events参数可以将模式调到ET。ET模式比LT效率更高，它只支持非阻塞套接字。
LT与ET模式的区别在于，当一个新事件到来时，ET模式下当然可以从epoll_wait调用中获得这个事件，可是如果这次没有把此次事件对应的套接字缓冲区处理完，在这个套接字有新的事件到来之前，ET模式无法再次从epoll_wait中获取这个事件，处理尚未处理完毕的缓冲区；
而LT模式则相反，只要事件对应的套接字缓冲区中有没处理干净的数据，通过epoll_wait仍能获得这个事件。因此，LT模式下的epoll更简单，不易出错，而在ET模式下，如果没有一次彻底将缓冲区处理完，会导致缓冲区中的用户得不到响应。
默认情况下，redis使用LT模式，nginx使用ET模式。
