Epoll的本质（内部实现原理）

从事服务端开发，少不了要接触网络编程。epoll作为linux下高性能网络服务器的必备技术至关重要，nginx、redis、skynet和大部分游戏服务器都使用到这一多路复用技术。

因为epoll的重要性，不少游戏公司（如某某九九）在招聘服务端同学时，可能会问及epoll相关的问题。比如epoll和select的区别是什么？epoll高效率的原因是什么？如果只靠背诵，显然不能算上深刻的理解。

网上虽然也有不少讲解epoll的文章，但要不是过于浅显，就是陷入源码解析，很少能有通俗易懂的。于是决定编写此文，让缺乏专业背景知识的读者也能够明白epoll的原理。文章核心思想是：

要让读者清晰明白EPOLL为什么性能好。

本文会从网卡接收数据的流程讲起，串联起CPU中断、操作系统进程调度等知识；再一步步分析阻塞接收数据、select到epoll的进化过程；最后探究epoll的实现细节。

目录

一、从网卡接收数据说起

二、如何知道接收了数据？

三、进程阻塞为什么不占用cpu资源？

四、内核接收网络数据全过程

五、同时监视多个socket的简单方法

六、epoll的设计思路

七、epoll的原理和流程

八、epoll的实现细节

九、结论

一、从网卡接收数据说起

下图是一个典型的计算机结构图，计算机由CPU、存储器（内存）、网络接口等部件组成。了解epoll本质的第一步，要从硬件的角度看计算机怎样接收网络数据。

 

 

 

计算机结构图（图片来源：linux内核完全注释之微型计算机组成结构）

下图展示了网卡接收数据的过程。在①阶段，网卡收到网线传来的数据；经过②阶段的硬件电路的传输；最终将数据写入到内存中的某个地址上（③阶段）。这个过程涉及到DMA传输、IO通路选择等硬件有关的知识，但我们只需知道：网卡会把接收到的数据写入内存。

 

 

网卡接收数据的过程

 

通过硬件传输，网卡接收的数据存放到内存中。操作系统就可以去读取它们。

二、如何知道接收了数据？

了解epoll本质的第二步，要从CPU的角度来看数据接收。要理解这个问题，要先了解一个概念——中断。

计算机执行程序时，会有优先级的需求。比如，当计算机收到断电信号时（电容可以保存少许电量，供CPU运行很短的一小段时间），它应立即去保存数据，保存数据的程序具有较高的优先级。

一般而言，由硬件产生的信号需要cpu立马做出回应（不然数据可能就丢失），所以它的优先级很高。cpu理应中断掉正在执行的程序，去做出响应；当cpu完成对硬件的响应后，再重新执行用户程序。中断的过程如下图，和函数调用差不多。只不过函数调用是事先定好位置，而中断的位置由“信号”决定。

中断程序调用

以键盘为例，当用户按下键盘某个按键时，键盘会给cpu的中断引脚发出一个高电平。cpu能够捕获这个信号，然后执行键盘中断程序。下图展示了各种硬件通过中断与cpu交互。

cpu中断（图片来源：net.pku.edu.cn）

现在可以回答本节提出的问题了：当网卡把数据写入到内存后，网卡向cpu发出一个中断信号，操作系统便能得知有新数据到来，再通过网卡中断程序去处理数据。

三、进程阻塞为什么不占用cpu资源？

了解epoll本质的第三步，要从操作系统进程调度的角度来看数据接收。阻塞是进程调度的关键一环，指的是进程在等待某事件（如接收到网络数据）发生之前的等待状态，recv、select和epoll都是阻塞方法。了解“进程阻塞为什么不占用cpu资源？”，也就能够了解这一步。

为简单起见，我们从普通的recv接收开始分析，先看看下