Java NIO（一）select 和 epoll底层实现原理

一 内核接受网卡流量的整个流程

预备知识：

• 网络编程的核心对象是socket，当创建socket时在底层会创建一个由文件系统管理的socket对象。这个对象包括了发送缓冲区，接收缓冲区，等待队列。
• recv函数用于从某一个socket中接受流量，但是这个函数在被调用入进程会一直处于阻塞状态，直到从该socket收到数据为止。

网卡接收流量的流程：

• 步骤一：进程中调用了recv函数请求接收指定socket的流量。
• 步骤二：操作系统将这个进程加入到对应socket的等待队列中，并从CPU工作队列中移除，经过这一步后，进程会处理阻塞状态。
• 计算机接收到对端传输的数据，网卡把数据写入到内存中。这一步不需要CPU参与（数据不经过CPU直接从IO设备写入内存的技术叫作DMA技术）
• 数据写完后网卡会发送一个中断信号，中断CPU，通知CPU有数据到达。
• CPU中断程序响应中断，并把内存中的数据写入了对应socket的缓冲区里
• CPU唤醒进程，把进程从socket的等待队列中移除，然后加入到工作队列等待系统调用。

上面的流程有一个问题：
revc函数只能监控一个socket，并且会导致进程一直阻塞在这个socket中，直到socket中有数据返回为止。如果有多个socket监控，则需要创建多个进程，非常浪费资源。

而select和epoll就解决了上面的问题，它们让一个进程可以监控多个socket，下面分别说一下两个函数的实现细节。

二 select的实现细节

select一次监控多个socket的原理很简单：

• 它会把进程加入到它需要监控的所有socket的等待队列中，然后将进程从CPU 工作队列中移除，进入阻塞状态。
• 当这些socket中有一个socket有数据返回时，中断程序会把进程从所以的socket等待队列中移除，并把进程重新加入到CPU工作队列中，让进程进就绪状态。
• 进程进入被CPU调用到，只需要遍历所有socket的状态，就可以知道哪些socket可以读取数据了。
• 操作完这些可读取数据的socket之后，又会重复第一步，把进程加入到所有的 socket中，然后让进程进入阻塞状态。

通过上述的方式，select函数实现了在一个进程中监控多个socket的方法。但是这函数的性能并不高，因为它需要重复把进程从所有的socket中加入/移除。因此它监控的socket数量不能太多，底层规定不能超过1024个。

epoll函数针对select的这个缺陷作了改进，接下来说说epoll函数的实现细节。

三 epoll函数的实现细节

当进程调用epoll监控多个socket时，会在底层创建一个eventpoll对象，这个对象中包含一个重要的队列：就绪队列

• 进程调用epoll函数后，epoll会把这个进程加入eventpoll对象的等待队列中
• 然后把eventpoll对象加入到所有socket的等待队列中，并让CPU阻塞住
• 当某一个socket有数据返回时，CPU中断程序会把这个socket加入到eventpoll对象的就绪队列中，并把eventpoll中等待的进程唤醒。
• 进程被唤醒后直接从就绪队列中获取socket读取数据
• 数据读取完成后，epoll又会把进程加入到eventpoll的等待队列中，然后让CPU阻塞住。

epoll针对select优化的点：

• 除了第一次外，epoll不需操作所有socket对象的等待队列，只需要操作eventpoll的等待队列即可
• 进程被唤醒后，不需要遍历即可直接知道哪些socket准备好了。