深入理解Linux IO复用之epoll

0.概述

通过本篇文章将了解到以下内容:

• I/O复用的定义和产生背景
• Linux系统的I/O复用工具
• epoll设计的基本构成
• epoll高性能的底层实现
• epoll的ET模式和LT模式

1.复用技术和I/O复用

• 复用的概念

复用技术(multiplexing)并不是新技术而是一种设计思想，在通信和硬件设计中存在频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等，在日常生活中复用的场景也非常多，因此不要被专业术语所迷惑。

从本质上来说，复用就是为了解决有限资源和过多使用者的不平衡问题，且此技术的理论基础是资源的可释放性。

• 资源的可释放性

举个实际生活的例子：

不可释放场景：ICU病房的呼吸机作为有限资源，病人一旦占用且在未脱离危险之前是无法放弃占用的，因此不可能几个情况一样的病人轮流使用。

可释放场景：对于一些其他资源比如医护人员就可以实现对多个病人的同时监护，理论上不存在一个病人占用医护人员资源不释放的场景。

• 理解IO复用

I/O的含义：在计算机领域常说的IO包括磁盘IO和网络IO，我们所说的IO复用主要是指网络IO，在Linux中一切皆文件，因此网络IO也经常用文件描述符FD来表示。

复用的含义：那么这些文件描述符FD要复用什么呢？在网络场景中复用的就是任务处理线程，所以简单理解就是多个IO共用1个线程。

IO复用的可行性：IO请求的基本操作包括read和write，由于网络交互的本质性，必然存在等待，换言之就是整个网络连接中FD的读写是交替出现的，时而可读可写，时而空闲，所以IO复用是可用实现的。

综上认为，IO复用技术就是协调多个可释放资源的FD交替共享任务处理线程完成通信任务，实现多个fd对应1个任务处理线程。

现实生活中IO复用就像一只边牧管理几百只绵羊一样：

• IO复用的设计原则和产生背景

高效IO复用机制要满足：协调者消耗最少的系统资源、最小化FD的等待时间、最大化FD的数量、任务处理线程最少的空闲、多快好省完成任务等。

在网络并发量非常小的原始时期，即使per req per process地处理网络请求也可以满足要求，但是随着网络并发量的提高，原始方式必将阻碍进步，所以就刺激了IO复用机制的实现和推广。

2.Linux中IO复用工具

在Linux中先后出现了select、poll、epoll等，FreeBSD的kqueue也是非常优秀的IO复用工具，kqueue的原理和epoll很类似，本文以Linux环境为例，并且不讨论过多select和poll的实现机制和细节。

• 开拓者select

select大约是2000年初出现的，其对外的接口定义：

作为第一个IO复用系统调