linux内核视角看epoll

一、概述

在传统的阻塞I/O模型中，一个Socket（套接字）通常只能处理一个TCP连接，即一对一的关系。每个TCP连接都需要分配一个独立的Socket来处理。
然而，使用多路复用技术，可以在单个线程中同时监视多个Socket的状态，以确定哪些Socket有可读或可写事件。通过在单个线程内等待和处理多个连接的事件，高效地处理大量的并发连接，减少资源消耗。

二、epoll

在linux上多路复用技术有select、poll、epoll。其中epoll的性能表现是最优异的，能支持的并发量也最大。linux中和epoll相关的函数有如下三个：

1. epoll_create: 创建一个epoll对象。
2. epoll_ctl: 向epoll对象添加要管理的连接。
3. epoll_wait: 等待epoll对象管理的连接上的IO事件。

三、epoll内核对象的创建

用户进程调用epoll_create时，内核会创建一个eventpoll的内核对象，并把它加入到当前进程已打开的文件列表中。eventpoll内核对象的定义如下：，

struct eventpoll {
   
    //等待队列
    wait_queue_head_t wq;
    //就绪的描述符链表
    struct list_head rdllist;
    //每个eventpoll对象中都有一颗红黑树
    struct rb_root rbr;
}

• wq：等待队列。用户进程陷入阻塞时，其进程描述符会保存在eventpoll对象的等待队列。
• rbr：一颗红黑树。用来管理用户进程添加进来的所有的socket，为了支持对海量连接的高效查找、插入和删除。
• rdllist：就绪的描述符链表。当有连接事件就绪的时候，内核会把就绪的连接放到rdllist，这样只需要判断rdllist链表就能找出就绪的连接，而不用去遍历整颗树。

四、epoll添加socket

这一步是由用户进程调用epoll_ctl完成的。假设现在和客户端的多个连接的socket都创建好了，也创建好了eventpoll对象。epoll_ctl在注册每一个socket的时候，内核都会做如下三件事情：

1. 初始化一个红黑树节点对象epitem。
2. 在socket对象的等待队列中，注册事件到达回调函数ep_poll_callback。
3. 将epitem插入eventpoll的红黑树。

struct epitem {
   
    ......
    struct epoll_filefd ffd; //socket句柄
	struct eventpoll *ep; //所属的eventpoll
}

通过epoll_ctl添加两个socke以后，这些内核数据结构最终在进程中的关系如下：

4.1 设置socket对象等待队列

epoll_ctl先完成epitem对象的初始化后，接着就会去设置socket的等待队列，把ep_poll_callback设置为socket数据就绪时的回调函数，注册到socket等待队列：

// include/linux/wait.h
static inline void init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q