我讀過的最好的epoll講解（轉）

原文：http://zhihu.com/question/20122137/answer/14049112

作者：藍形參
來源：知乎

首先我們來定義流的概念，一個流可以是文件，socket，pipe等等可以進行I/O操作的內核對象。
不管是文件，還是套接字，還是管道，我們都可以把他們看作流。
之后我們來討論I/O的操作，通過read，我們可以從流中讀入數據；通過write，我們可以往流寫入數據。現在假定一個情形，我們需要從流中讀數據， 但是流中還沒有數據，（典型的例子為，客戶端要從socket讀如數據，但是服務器還沒有把數據傳回來），這時候該怎么辦？

• 阻塞。阻塞是個什么概念呢？比如某個時候你在等快遞，但是你不知道快遞什么時候過來，而且你沒有別的事可以干（或者說接下來的事要等快遞來了才能做）；那么你可以去睡覺了，因為你知道快遞把貨送來時一定會給你打個電話（假定一定能叫醒你）。
• 非阻塞忙輪詢。接着上面等快遞的例子，如果用忙輪詢的方法，那么你需要知道快遞員的手機號，然后每分鍾給他掛個電話：“你到了沒？”

很明顯一般人不會用第二種做法，不僅顯很無腦，浪費話費不說，還占用了快遞員大量的時間。
大部分程序也不會用第二種做法，因為第一種方法經濟而簡單，經濟是指消耗很少的CPU時間，如果線程睡眠了，就掉出了系統的調度隊列，暫時不會去瓜分CPU寶貴的時間片了。

為了了解阻塞是如何進行的，我們來討論緩沖區，以及內核緩沖區，最終把I/O事件解釋清楚。緩沖區的引入是為了減少頻繁I/O操作而引起頻繁的系統調用（你知道它很慢的），當你操作一個流時，更多的是以緩沖區為單位進行操作，這是相對於用戶空間而言。對於內核來說，也需要緩沖區。
假設有一個管道，進程A為管道的寫入方，Ｂ為管道的讀出方。

1. 假設一開始內核緩沖區是空的，B作為讀出方，被阻塞着。然后首先A往管道寫入，這時候內核緩沖區由空的狀態變到非空狀態，內核就會產生一個事件告訴Ｂ該醒來了，這個事件姑且稱之為“緩沖區非空”。
2. 但是“緩沖區非空”事件通知B后，B卻還沒有讀出數據；且內核許諾了不能把寫入管道中的數據丟掉這個時候，Ａ寫入的數據會滯留在內核緩沖區中，如果內核也緩沖區滿了，B仍未開始讀數據，最終內核緩沖區會被填滿，這個時候會產生一個I/O事件，告訴進程A，你該等等（阻塞）了，我們把這個事件定義為“緩沖區滿”。
3. 假設后來Ｂ終於開始讀數據了，於是內核的緩沖區空了出來，這時候內核會告訴A，內核緩沖區有空位了，你可以從長眠中醒來了，繼續寫數據了，我們把這個事件叫做“緩沖區非滿”
4. 也許事件Y1已經通知了A，但是A也沒有數據寫入了，而Ｂ繼續讀出數據，知道內核緩沖區空了。這個時候內核就告訴B，你需要阻塞了！，我們把這個時間定為“緩沖區空”。

這四個情形涵蓋了四個I/O事件，緩沖區滿，緩沖區空，緩沖區非空，緩沖區非滿（注都是說的內核緩沖區，且這四個術語都是我生造的，僅為解釋其原理而造）。這四個I/O事件是進行阻塞同步的根本。（如果不能理解“同步”是什么概念，請學習操作系統的鎖，信號量，條件變量等任務同步方面的相關知識）。

然后我們來說說阻塞I/O的缺點。但是阻塞I/O模式下，一個線程只能處理一個流的I/O事件。如果想要同時處理多個流，要么多進程(fork)，要么多線程(pthread_create)，很不幸這兩種方法效率都不高。
於是再來考慮非阻塞忙輪詢的I/O方式，我們發現我們可以同時處理多個流了（把一個流從阻塞模式切換到非阻塞模式再此不予討論）：

while true {
    for i in stream[]
    {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍，又從頭開始。這樣就可以處理多個流了，但這樣的做法顯然不好，因為如果所有的流都沒有數據，那么只會白白浪費CPU。這里要補充一點，阻塞模式下，內核對於I/O事件的處理是阻塞或者喚醒，而非阻塞模式下則把I/O事件交給其他對象（后文介紹的select以及epoll）處理甚至直接忽略。

為了避免CPU空轉，可以引進了一個代理（一開始有一位叫做select的代理，后來又有一位叫做poll的代理，不過兩者的本質是一樣的）。這個代理比較厲害，可以同時觀察許多流的I/O事件，在空閑的時候， 會把當前線程阻塞掉，當有一個或多個流有I/O事件時，就從阻塞態中醒來，於是我們的程序就會輪詢一遍所有的流（於是我們可以把“忙”字去掉了）。代碼長這樣:

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
            read until unavailable
    }
}

於是，如果沒有I/O事件產生，我們的程序就會阻塞在select處。但是依然有個問題，我們從select那里僅僅知道了，有I/O事件發生了，但卻並不知道是那幾個流（可能有一個，多個，甚至全部），我們只能 無差別輪詢所有流，找出能讀出數據，或者寫入數據的流，對他們進行操作。
但是使用select，我們有O(n)的無差別輪詢復雜度，同時處理的流越多，每一次無差別輪詢時間就越長。再次
說了這么多，終於能好好解釋epoll了
epoll可以理解為event poll，不同於忙輪詢和無差別輪詢，epoll之會把哪個流發生了怎樣的I/O事件通知我們。此時我們對這些流的操作都是有意義的。（復雜度降低到了O(k)，k為產生I/O事件的流的個數，也有認為O(1)的[更新 1]）
在討論epoll的實現細節之前，先把epoll的相關操作列出[更新 2]：

• epoll_create 創建一個epoll對象，一般epollfd = epoll_create()
• epoll_ctl （epoll_add/epoll_del的合體），往epoll對象中增加/刪除某一個流的某一個事件
  比如
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//有緩沖區內有數據時epoll_wait返回
  epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//緩沖區可寫入時epoll_wait返回
• epoll_wait(epollfd,...)等待直到注冊的事件發生

（注：當對一個非阻塞流的讀寫發生緩沖區滿或緩沖區空，write/read會返回-1，並設置errno=EAGAIN。而epoll只關心緩沖區非滿和緩沖區非空事件）。
一個epoll模式的代碼大概的樣子是：

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till unavailable
    }
}

限於篇幅，我只說這么多，以揭示原理性的東西，至於epoll的使用細節，請參考man和google，實現細節，請參閱linux kernel source。
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[更新1]: 原文為O(1)，但實際上O(k)更為准確
[更新2]: 原文所列第二點說法讓人產生EPOLLIN/EPOLLOUT等同於“緩沖區非空”和“緩沖區非滿”的事件，但並非如此，詳細可以Google關於epoll的邊緣觸發和水平觸發。