epoll很重要，但是epoll和select有什么区别呢？是什么让epoll 高效？

虽然网上解释epoll的文章很多，但要么过于简单，要么停留在源码分析上，容易理解的很少。作者决定写这篇文章，让缺乏专业背景知识的读者也能了解epoll的原理。

文章的核心思想是：让读者清楚地理解为什么epoll有好的性能。

一、从网卡接收数据说起

下面是典型的计算机结构图。计算机由CPU、存储器（存储器）和网络接口组成。了解epoll本质的第一步，就是从硬件角度看计算机是如何接收网络数据的。

下图为网卡接收数据的流程。

第阶段，网卡接收来自网线的数据；在阶段的硬件电路传输之后；最后在阶段，数据被写入内存中的某个地址。这个过程涉及到DMA传输、IO通道选择等硬件相关知识，但我们只需要知道网卡会将接收到的数据写入内存即可。

网卡接收数据的流程

通过硬件传输，网卡接收到的数据存储在内存中，操作系统可以读取它们。

二、如何知道接收了数据？

了解epoll本质的第二步是从CPU的角度来看数据接收。要了解这个问题，首先要了解——中断的概念。

当计算机执行程序时，它有优先级要求。例如，当计算机收到断电信号时，应立即保存数据。保存数据的程序优先级较高（电容可以节省少量电量供CPU短时间运行）。

一般来说，硬件产生的信号需要CPU立即响应，否则数据可能会丢失，因此其优先级非常高。 CPU应中断正在执行的程序来响应；当CPU完成对硬件的响应后，应重新执行用户程序。中断过程如下图所示。它与函数调用类似，只不过函数调用有预定的位置，而中断位置是由“信号”决定的。

中断例程调用

以键盘为例，当用户按下键盘上的按键时，键盘会向CPU的中断引脚发送高电平。 CPU可以捕获该信号，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交互的过程。

现在可以回答“怎么知道数据已经收到了？”的问题：当网卡将数据写入内存时，网卡向CPU发送中断信号。然后操作系统就可以知道有新的数据到达，然后通过网卡中断程序。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，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部分。指的是进程在等待某个事件（如接收网络数据）发生之前的等待状态。 receive、select和epoll都是阻塞方法。我们来分析一下为什么进程阻塞不占用CPU资源？

为了简单起见，我们从普通的recv接收开始分析。我们先看下面的代码：

//创建套接字int s=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //绑定bind(s,) //监听listen(s,) //接受客户端连接int c=accept(s ,)//接收客户端数据recv(c, );//打印数据printf(.) 这是最基本的网络编程代码。首先创建一个socket对象并依次调用bind。监听并接受，最后调用recv接收数据。 recv 是一种阻塞方法。当程序运行到recv时，会等待接收到数据才继续。

那么阻塞的原理是什么呢？

工作队列

为了支持多任务，操作系统实现了进程调度功能，将进程划分为“运行”和“等待”等几种状态。运行状态是进程已经获得CPU的使用权，正在执行代码的状态；等待状态是阻塞状态。比如上面的程序运行到recv时，程序会从运行状态转为等待状态，接收到数据后又转回运行状态。操作系统会以分时的方式执行各个运行状态下的进程。由于其速度很快，看起来就像是在同时执行多个任务。

下图中的计算机正在运行三个进程A、B和C。进程A执行上述基本网络程序。一开始，这三个进程被操作系统的工作队列引用，并处于运行状态。他们将分时进行。实施。

工作队列中有3个进程A、B、C

等待队列

当进程A执行创建socket的语句时，操作系统会创建一个由文件系统管理的socket对象（如下所示）。这个socket对象包含发送缓冲区、接收缓冲区和等待队列等成员。等待队列是一个非常重要的结构，它指向所有需要等待socket事件的进程。

创建套接字

当程序执行recv时，操作系统会将进程A从工作队列移动到socket的等待队列中（如下图）。由于工作队列中只剩下进程B和C，根据进程调度，CPU会依次执行这两个进程的程序，而不会执行进程A的程序。因此，进程A被阻塞，不会执行执行代码或占用CPU资源。

套接字等待队列

注意：操作系统在添加等待队列时，只是添加了对这个“等待”进程的引用，以便获取进程对象并在接收到数据时将其唤醒，而不是直接将进程管理纳入自身之下。上图中，为了说明方便，直接将进程放入等待队列中。

唤醒过程

当socket接收到数据时，操作系统将socket等待队列上的进程放回到工作队列中，该进程变为运行状态，继续执行代码。同时，由于socket的接收缓冲区已经有数据，因此recv可以返回接收到的数据。

四、内核接收网络数据全过程

这一步涵盖了网卡、中断和进程调度的知识，描述了阻塞recv下内核接收数据的整个过程。

如下图，进程在recv阻塞的同时，计算机接收对端传输的数据（步骤），数据通过网卡传输到内存（步骤），然后网卡通过中断信号通知CPU数据到达，CPU执行中断程序。 （步骤）。

这里的中断程序主要有两个功能。首先将网络数据写入相应套接字的接收缓冲区（步骤），然后唤醒进程A（步骤），并将进程A再次放入工作队列。

内核接收数据的全过程

唤醒进程的流程如下图所示：

唤醒过程

以上就是内核接收数据的整个过程。这里我们可以思考两个问题：

首先，操作系统如何知道网络数据对应哪个socket？二、如何同时监听多个socket的数据？第一个问题：因为一个socket对应一个端口号，而网络数据包中包含IP和端口信息，因此内核可以通过端口号找到对应的socket。当然，为了提高处理速度，操作系统会给socket维护一个端口号的索引结构，以便快速读取。

五、同时监视多个 socket 的简单方法

服务器需要管理多个客户端连接，但recv只能监视单个套接字。在这种矛盾之下，人们开始寻找监控多个socket的方法。 epoll的目的是高效地监控多个socket。

从历史发展的角度来看，首先必须出现效率较低的方法，然后人们才能对其进行改进，就像select 对epoll 所做的那样。

只有先了解效率较低的select，才能更好地理解epoll的本质。

如果可以提前传入一个socket列表，如果列表中没有socket有数据，进程就会被挂起，直到有socket接收到数据，进程才会被唤醒。这个方法非常简单，也是select的设计思想。

为了方便理解，我们先回顾一下select的用法。下面的代码中，首先准备一个数组fds，让fds存放所有需要监控的socket。然后调用选择。如果fds中所有socket都没有数据，select会阻塞，直到有一个socket接收到数据，select返回，唤醒进程。用户可以遍历fds，使用FD_ISSET来判断哪个socket收到了数据，然后进行处理。

int s=套接字(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bind(s,);listen(s,);int fds[]=存储需要监听的socket； while(1){ int n=select (. fds,) for(int i=0; i fds.count; i++){ if(FD_ISSET(fds[i],)){ //fds[i]的数据处理} }}select过程

select的实现思路非常简单。如果程序同时监听如下所示的三个套接字sock1、sock2、sock3，那么调用select后，操作系统将进程A添加到这三个套接字的等待队列中。

操作系统将进程A添加到这三个套接字的等待队列中。

当任何套接字接收到数据时，中断例程将唤醒该进程。下图为sock2接收数据的处理流程：

注意：recv和select的中断回调可以设置不同的内容。

sock2接收到数据并中断程序唤醒进程A

所谓唤醒进程，就是将进程从所有等待队列中移除，添加到工作队列中，如下图所示：

将进程A从所有等待队列中移除并添加到工作队列中

经过这些步骤，当进程A醒来时，它知道至少有一个套接字已经接收到数据。程序只需要遍历一次socket链表即可获得就绪的socket。

这种简单的方法是有效的，并且在几乎所有操作系统中都有相应的实现。

然而，简单的方法往往存在缺点，主要是：

首先，每次调用select都需要将进程添加到所有监控套接字的等待队列中，每次唤醒都需要从每个队列中移除。这就涉及到两次遍历，每次都要将整个fds链表传递给内核，有一定的开销。正是因为遍历操作的开销较大以及效率方面的考虑，才规定了select的最大监听数。默认情况下，只能监控1024 个套接字。

其次，进程被唤醒后，程序并不知道哪些套接字收到了数据，需要遍历一次。

那么，有什么办法可以减少遍历呢？有没有办法保存就绪的套接字？这两个问题正是epoll技术想要解决的。

附加说明：本节仅说明select的一种情况。当程序调用select时，内核会首先遍历socket。如果多个socket接收缓冲区中有数据，select会直接返回，不会阻塞。这就是select的返回值可能大于1的原因之一。如果没有socket有数据，进程就会阻塞。

六、epoll 的设计思路

epoll是在select出现N年后发明的。它是select 和poll 的增强版本（poll 和select 基本相同，有一些改进）。 epoll通过以下措施提高效率：

措施一：功能分离

select效率低下的原因之一就是将“维护等待队列”和“阻塞进程”两个步骤合二为一。如下图所示，每次调用select都需要这两步。但在大多数应用场景中，需要监控的socket都是相对固定的，不需要每次都修改。 epoll将这两个操作分开，首先使用epoll_ctl维护等待队列，然后调用epoll_wait阻塞进程。显然，效率是可以提高的。

epoll与select相比，功能拆分

为了方便理解下面的内容，我们先来了解一下epoll的用法。下面的代码中，首先使用epoll_create创建一个epoll对象epfd，然后使用epoll_ctl将需要监听的socket添加到epfd中，最后调用epoll_wait等待数据：

int s=套接字(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);绑定（s，）听（s，）int epfd=epoll_create（.）; epoll_ctl（epfd，）; //将所有需要监听的socket添加到epfd中while(1){ int n=epoll_wait(.) for (接收数据的socket){ //处理}} 功能分离使得epoll可以优化。

措施2：准备清单

select效率低下的另一个原因是程序不知道哪些socket收到了数据，只能一一遍历。如果内核维护一个引用接收数据的套接字的“就绪列表”，则可以避免这种遍历。如下图所示，计算机有3个socket，接收数据的sock2和sock3被就绪链表rdlist引用。当进程被唤醒时，只要获取到rdlist的内容，就可以知道哪些socket收到了数据。

就绪栏表示意图

七、epoll 的原理与工作流程

本节将通过示例和图表来讲解epoll的原理和工作流程。

创建epoll对象

如下图所示，当进程调用epoll_create方法时，内核会创建一个eventpoll对象（即程序中epfd代表的对象）。 eventpoll 对象也是文件系统的成员。和socket一样，它也有一个等待队列。

内核创建eventpoll对象

创建代表epoll的eventpoll对象是必要的，因为内核维护着“就绪列表”等数据，这些数据可以作为eventpoll的成员。

维护关注列表

创建epoll对象后，可以使用epoll_ctl来添加或删除想要监听的socket。以添加socket为例，如下图所示。如果通过epoll_ctl添加对sock1、sock2、sock3的监控，内核会将eventpoll添加到这三个socket的等待队列中。

添加需要监听的socket

当socket接收到数据时，中断程序会操作eventpoll对象，而不是直接操作进程。

接收数据

当套接字接收到数据时，中断程序将套接字引用添加到eventpoll的“就绪列表”中。如下图所示，sock2和sock3接收到数据后，中断程序允许rdlist引用这两个socket。

添加对就绪列表的引用

eventpoll对象相当于socket和进程之间的中介。 socket的数据接收并不直接影响进程，而是通过改变eventpoll的就绪列表来改变进程状态。

当程序执行epoll_wait时，如果rdlist已经引用了该socket，则epoll_wait直接返回。如果rdlist 为空，则进程被阻塞。

阻塞和唤醒进程

假设计算机上正在运行进程A和进程B。在某个时刻，进程A运行epoll_wait语句。如下图所示，内核会将进程A放入eventpoll的等待队列中，阻塞该进程。

epoll_wait 阻塞进程

当socket接收到数据时，中断程序一方面修改rdlist，另一方面唤醒eventpoll等待队列中的进程。进程A再次进入运行状态（如下图）。也因为rdlist的存在，进程A可以知道哪些socket发生了变化。

epoll 唤醒进程

八、epoll 的实现细节

至此，相信读者已经对epoll的本质有了一定的了解。但我们还需要知道eventpoll的数据结构是什么样的？

另外，就绪队列应该使用什么数据结构？ eventpoll应该使用什么数据结构来管理通过epoll_ctl添加或删除的套接字？

如下图所示，eventpoll包括lock、mtx、wq（等待队列）和rdlist等成员，其中rdlist和rbr是我们关心的。

就绪列表数据结构

就绪列表指的是就绪的套接字，因此它应该能够快速插入数据。

程序可以随时调用epoll_ctl添加监控套接字，也可以随时删除监控套接字。删除时，如果socket已经在就绪链表中，也应该将其删除。所以就绪链表应该是一个可以快速插入和删除的数据结构。

双向链表就是这样一种数据结构。 epoll使用双向链表来实现就绪队列（对应上图中的rdllist）。

指数结构

既然epoll将“维护监控队列”和“进程阻塞”分开，那么也意味着需要有一个数据结构来保存监控的socket，至少方便添加和删除，也方便查找避免重复添加。红黑树是一种自平衡二叉搜索树。查找、插入、删除的时间复杂度都是O(log(N))，效率不错。 epoll使用红黑树作为索引结构（对应上图中的rbr）。

九、小结

epoll在select和poll的基础上引入eventpoll作为中间层，采用先进的数据结构，是一种高效的复用技术。这里我们也以表格的形式简单比较一下select、poll和epoll来结束本文。希望读者能够有所收获。

罗培宇是一名程序员，致力于创造有趣的游戏。

作为游戏行业从业者，参与过《卡布西游》、《卡布仙踪》、《卡布魔镜》、《坦克射击》、《海陆大战》等多个项目的研发；作为独立游戏开发者，曾主导过《仙剑5前传之心愿》和：0 10-30000等项目的研发，具有丰富的实践经验。

自2009年发布第一本视频教程《蚀梦》以来，已出版专业书籍《教你用VB制作RPG游戏》和《手把手教你用C#制作RPG游戏》。

目前专注于手游、AI技术等领域，从第三方角度记录普通开发者的心路历程。

简介：《Unity3D网络游戏实战》基于Unity 3D的跨平台基础Mono及其游戏脚本语言C#进行讲解。全面系统地分析了Unity 3D的跨平台原理以及游戏脚本开发的特点。