从事服务器端开发，少不了接触网络编程。epoll是Linux下高性能web服务器必不可少的技术。Nginx、Redis、Skynet和大多数游戏服务器都使用了这种多路复用技术。epoll很重要，但是epoll和select有什么区别呢？epoll效率高的原因是什么？虽然网上讲解Epoll的文章很多，但要么过于简单，要么陷入源码分析，通俗易懂的文章很少。.所以笔者决定写这篇文章，让缺乏专业背景知识的读者也能了解epoll的原理。这篇文章的核心思想是：让读者清楚地了解为什么epoll有好的性能。文章将从网卡接收数据的过程开始，串联CPU中断、操作系统进程调度等知识；然后分析阻塞接收数据的演化过程，一步步选择到Epoll；最后探究一下epoll的实现细节。下面是一个典型的计算机结构图，从网卡接收数据开始。计算机由CPU、内存（memory）和网络接口组成。了解Epoll本质的第一步，就是从硬件的角度来看计算机是如何接收网络数据的。计算机结构图（图片来源：Linux内核全注释微机组成结构）下图为网卡接收数据的过程：第一阶段，网卡从网线接收数据。通过2级硬件电路传输。最后3个阶段将数据写入内存中的地址。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。网卡接收数据的过程是通过硬件传输的，网卡接收到的数据存储在内存中，操作系统可以读取它们。你怎么知道数据已经收到了？理解Epoll本质的第二步，就是从CPU的角度来看数据接收。要理解这个问题，首先要理解一个概念：中断。计算机在执行程序时，会有优先级要求。例如，当计算机收到断电信号时，应立即保存数据，保存数据的程序具有更高的优先级（电容器可以为CPU短时间运行节省少量电量）时间）。一般来说，硬件产生的信号需要CPU立即响应，否则可能会丢失数据，因此具有较高的优先级。CPU应该中断正在执行的程序来响应；当CPU完成对硬件的响应后，会重新执行用户程序。中断流程如下图所示，与函数调用类似，只是函数调用的位置是事先确定的，而中断位置是由“信号”决定的。中断程序调用以键盘为例。当用户按下键盘上的某个键时，键盘会向CPU的中断引脚发送一个高电平。CPU可以捕捉到这个信号，然后执行键盘中断程序。下图是各种硬件通过中断与CPU交互的过程：网卡写入数据到达内存后，网卡向CPU发送中断信号，操作系统就可以知道有新的数据到来，然后通过网卡中断程序对数据进行处理。为什么进程阻塞不占用CPU资源？理解Epoll本质的第三步，就是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。它是指进程在事件（如接收网络数据）发生之前的等待状态。Recv、Select、Epoll都是阻塞方法。下面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，先看下面的代码：//createsocketints=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//bindbind(s,...)//listenlisten(s,...)//接受客户端连接intc=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，依次调用Bind、Listen和Accept，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，会等到接收到数据再继续。那么阻塞的原理是什么？工作队列操作系统为了支持多任务，实现了进程调度的功能，将进程划分为“运行”、“等待”等几种状态。运行态是进程获得CPU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，程序会从运行态变为等待态，接收到数据后又回到运行态。操作系统会分时执行各个运行状态下的进程。由于速度快，看起来像是在同时执行多个任务。下图中的计算机运行了三个进程A、B、C，其中进程A执行的是上述的基本网络程序。一开始，这三个进程被操作系统的工作队列引用，处于运行状态，将被分时执行。工作队列中有A、B、C三个进程在等待。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（如下图）。创建套接字。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体，它指向所有需要等待Socket事件的进程。当程序执行到Recv时，操作系统会将进程A从工作队列中移到Socket的等待队列中（如下图）。Socket的等待队列只有进程B和C留在工作队列中。根据进程调度，CPU会依次执行这两个进程的程序，不会执行进程A的程序。所以进程A被阻塞，不会往下执行代码，不会占用CPU资源。注意：操作系统增加等待队列只是给这个“等待”的进程增加了一个引用，这样当接收到数据的时候，就可以获取并唤醒进程对象，而不是直接把进程管理归于自己。为了图解方便，上图直接把进程挂在了等待队列下面。唤醒进程当Socket接收到数据时，操作系统将Socket等待队列中的进程放回工作队列中，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，Recv可以返回接收到的数据。内核接收网络数据的全过程通过网卡、中断和进程调度的知识，描述内核在blockingRecv下接收数据的全过程。内核接收数据的整个过程如上图所示，在Recv期间进程阻塞：计算机接收对端发送的数据（步骤①）数据通过网卡传输到内存（步骤②）)然后网卡通过中断信号通知CPU有数据到达，CPU执行中断程序（步骤③）这里的中断程序主要有两个作用，首先将网络数据写入对应的接收缓冲区Socket（步骤④），然后唤醒进程A（步骤⑤），将进程A重新写入工作队列。进程唤醒过程如下图所示：以上就是内核接收数据的全过程。这里我们可能会思考两个问题：操作系统如何知道网络数据对应于哪个Socket？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，而网络包中包含IP和端口信息，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，操作系统会维护从端口号到Socket的索引结构，以便快速读取。第二个问题是复用的症结所在，也是本文后半部分的重点。同时监控多个Sockets的简单方法。服务器需要管理多个客户端连接，而Recv只能监听单个Socket。在这种矛盾下，人们开始寻找监控多个Sockets的方法。Epoll的本质是高效地监听多个Socket。从历史发展来看，效率较低的方法必然先出现，人们才会对其进行改进，就像Selectforepoll一样。只有了解了效率较低的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，如果列表中的Socket都没有数据，则挂起进程，直到有一个Socket收到数据，唤醒进程。这个方法很直接，也是Select的设计思路。为了方便理解，我们先回顾一下Select的用法。在下面的代码中，首先准备一个数组FDS，让FDS存放所有需要监听的Socket。然后调用Select，如果FDS中的所有Socket都没有数据，Select会阻塞，直到某个Socket收到数据，Select返回并唤醒进程。用户可以遍历FDS，通过FD_ISSET判断是哪个Socket接收到了数据，然后进行处理。ints=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);bind(s,...)listen(s,...)intfds[]=要监视的存储套接字while(1){intn=select(...,fds,...)for(inti=0;i
