寫在前面

　　從事服務端開發，少不了要接觸網絡編程。epoll作為linux下高性能網絡服務器的必備技術至關重要，nginx、redis、skynet和大部分游戲服務器都使用到這一多路復用技術。

　　本文會從網卡接收數據的流程講起，串聯起CPU中斷、操作系統進程調度等知識；再一步步分析阻塞接收數據、select到epoll的進化過程；最后探究epoll的實現細節。目錄：

一、從網卡接收數據說起
二、如何知道接收了數據？
三、進程阻塞為什么不占用cpu資源？
四、內核接收網絡數據全過程
五、同時監視多個socket的簡單方法
六、epoll的設計思路
七、epoll的原理和流程
八、epoll的實現細節
九、結論

一、從網卡接收數據說起

　　下圖是一個典型的計算機結構圖，計算機由CPU、存儲器（內存）、網絡接口等部件組成。了解epoll本質的第一步，要從硬件的角度看計算機怎樣接收網絡數據。

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　　?下圖展示了網卡接收數據的過程。在①階段，網卡收到網線傳來的數據；經過②階段的硬件電路的傳輸；最終將數據寫入到內存中的某個地址上（③階段）。這個過程涉及到DMA傳輸、IO通路選擇等硬件有關的知識，但我們只需知道：網卡會把接收到的數據寫入內存。

二、如何知道接收了數據？

　　了解epoll本質的第二步，要從CPU的角度來看數據接收。要理解這個問題，要先了解一個概念——中斷。

　　計算機執行程序時，會有優先級的需求。比如，當計算機收到斷電信號時（電容可以保存少許電量，供CPU運行很短的一小段時間），它應立即去保存數據，保存數據的程序具有較高的優先級。

　　一般而言，由硬件產生的信號需要cpu立馬做出回應（不然數據可能就丟失），所以它的優先級很高。cpu理應中斷掉正在執行的程序，去做出響應；當cpu完成對硬件的響應后，再重新執行用戶程序。中斷的過程如下圖，和函數調用差不多。只不過函數調用是事先定好位置，而中斷的位置由“信號”決定。

　　以鍵盤為例，當用戶按下鍵盤某個按鍵時，鍵盤會給cpu的中斷引腳發出一個高電平。cpu能夠捕獲這個信號，然后執行鍵盤中斷程序。下圖展示了各種硬件通過中斷與cpu交互。

　　現在可以回答本節提出的問題了：當網卡把數據寫入到內存后，網卡向cpu發出一個中斷信號，操作系統便能得知有新數據到來，再通過網卡中斷程序去處理數據。

三、進程阻塞為什么不占用cpu資源？

　　了解epoll本質的第三步，要從操作系統進程調度的角度來看數據接收。阻塞是進程調度的關鍵一環，指的是進程在等待某事件（如接收到網絡數據）發生之前的等待狀態，recv、select和epoll都是阻塞方法。了解“進程阻塞為什么不占用cpu資源？”，也就能夠了解這一步。

　　為簡單起見，我們從普通的recv接收開始分析，先看看下面代碼：

//創建socket int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //綁定 bind(s, ...) //監聽 listen(s, ...) //接受客戶端連接 int c = accept(s, ...) //接收客戶端數據 recv(c, ...); //將數據打印出來 printf(...)

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　　這是一段最基礎的網絡編程代碼，先新建socket對象，依次調用bind、listen、accept，最后調用recv接收數據。recv是個阻塞方法，當程序運行到recv時，它會一直等待，直到接收到數據才往下執行。

工作隊列

　　操作系統為了支持多任務，實現了進程調度的功能，會把進程分為“運行”和“等待”等幾種狀態。運行狀態是進程獲得cpu使用權，正在執行代碼的狀態；等待狀態是阻塞狀態，比如上述程序運行到recv時，程序會從運行狀態變為等待狀態，接收到數據后又變回運行狀態。操作系統會分時執行各個運行狀態的進程，由于速度很快，看上去就像是同時執行多個任務。

下圖中的計算機中運行著A、B、C三個進程，其中進程A執行著上述基礎網絡程序，一開始，這3個進程都被操作系統的工作隊列所引用，處于運行狀態，會分時執行。

工作隊列中有A、B和C三個進程

等待隊列

當進程A執行到創建socket的語句時，操作系統會創建一個由文件系統管理的socket對象（如下圖）。這個socket對象包含了發送緩沖區、接收緩沖區、等待隊列等成員。等待隊列是個非常重要的結構，它指向所有需要等待該socket事件的進程。

當程序執行到recv時，操作系統會將進程A從工作隊列移動到該socket的等待隊列中（如下圖）。由于工作隊列只剩下了進程B和C，依據進程調度，cpu會輪流執行這兩個進程的程序，不會執行進程A的程序。所以進程A被阻塞，不會往下執行代碼，也不會占用cpu資源。

ps：操作系統添加等待隊列只是添加了對這個“等待中”進程的引用，以便在接收到數據時獲取進程對象、將其喚醒，而非直接將進程管理納入自己之下。上圖為了方便說明，直接將進程掛到等待隊列之下。

喚醒進程

當socket接收到數據后，操作系統將該socket等待隊列上的進程重新放回到工作隊列，該進程變成運行狀態，繼續執行代碼。也由于socket的接收緩沖區已經有了數據，recv可以返回接收到的數據。

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轉載于:https://www.cnblogs.com/chihirotan/p/11521057.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的IO模型（epoll）--详解-01的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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