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图解epoll 到底快在哪？三张图看懂 select、poll、epoll 的区别

理解 epoll，可以先看 select、poll 在等待事件时反复做了哪些工作，再看 epoll 怎样减少这些工作。核心是保存监听关系，并在事件发生时提前记录就绪对象。

一 select 和 poll 的重复开销

假设程序监听 A、B、C、D、E 五个连接，开始都没有事件，随后只有 B、D 可读。select、poll 都能让调用线程睡眠，数据到达后再唤醒它；它们的开销主要在下面三处。

1. 每轮都要传入完整的监听范围。即使还是关注 A 到 E，下一次调用仍要把完整集合或数组交给内核，产生重复的参数拷贝。select 使用位图，返回时会修改集合，所以再次调用前还要恢复监听集合；poll 使用数组，可以复用用户态数组，但每次仍要提交它。

2. 内核需要扫描，才能确定谁已就绪。调用时先检查监听项；如果没有事件就睡眠，被唤醒后再检查。即使只有 B、D 可读，也要检查 A 到 E，而不能直接从一个保存好的就绪链表中取出 B、D。连接越多，检查非活跃连接的工作越多。

3. 应用还要从返回的标记中找出就绪连接。select 的结果位图 只保留 B、D 的就绪位，其他位清零；poll 的数组仍包含 A 到 E，在 B、D 对应项的revents中设置就绪标记。应用需要检查位图或数组中的标记，找到本轮要处理的连接。

二 epoll 如何减少重复开销

epoll 将“管理监听关系”和“等待事件”分成了epoll_ctl()与epoll_wait()，并在内核中保存监听关系和就绪链表。三个问题分别对应三个改进：

下面的图把同一次事件放到三种机制中比较：上方是用户态，下方是内核态，按编号看执行顺序。

接下来只看 epoll，把它拆成注册和数据到达两个阶段。

三 注册监听

假设程序已经创建了 epoll 实例，socket 101 当前没有数据可读。程序调用epoll_ctl(ADD)，把 socket 101 加入监听范围。内核按图中的顺序完成以下工作。

1. 找到 epoll 和 socket。内核通过文件描述符，找到这次使用的 epoll 实例，以及需要监听的 socket。

2. 把监听记录放入红黑树。内核创建一条监听记录，叫作epitem，记下目标 socket 和关注的事件，再把它加入红黑树。红黑树保存着这个 epoll 实例的全部监听记录。

3. 在 socket 上登记回调。回调就是提前登记好、在相应事件发生时被调用的函数。这里使用的是内核函数ep_poll_callback：内核在 socket 的等待队列中登记一个调用它的回调项，并将这个回调项与监听记录关联起来。

   这个回调负责把“socket 可读了”变成“epoll 有事件可以处理了”。socket 变为可读时，内核调用它，它就直接找到对应的监听记录，加入就绪链表；如果有线程正在等待，再唤醒线程。

   所以，回调的作用是记录就绪、通知等待线程。真正读取数据的工作，由应用拿到事件后调用recv()完成。

4. 检查现在是否已经可读。本例还没有数据，所以就绪链表为空。如果注册时就已经可读，则会直接把对应监听项加入就绪链表。

注册完成后，程序调用epoll_wait()。如果没有就绪事件，并且允许阻塞，线程就进入epoll 的等待队列，等待通知。这里等待的是调用epoll_wait()的应用线程，epoll 不会为每个 socket 新建线程。

epoll 等待队列的作用，是记住哪些线程正在等事件。没有事件时，这些线程可以睡眠、让出 CPU；回调记录就绪后，再按需唤醒它们。就绪链表记录“哪些连接需要处理”，epoll 等待队列记录“哪些线程等待通知”。

到这里，监听关系已经建立好了，后续每次等待都可以复用。

四 数据到达

现在，socket 101 收到了数据，而程序正阻塞在epoll_wait()中。接下来看数据到达后的流程。

1. 数据进入 socket。网卡收到数据，协议栈处理后，把数据交给目标 socket，保存在接收缓冲区中。

2. socket 发出可读通知。当 socket 满足可读条件时，触发它的等待队列中登记的回调。

3. 回调找到对应的监听记录。利用注册时保存的关联，回调直接找到 socket 101 对应的epitem，不用遍历全部连接，也不用重新搜索红黑树。

4. 把监听项加入就绪链表。回调把它记录为待处理的就绪项；如果已经在链表中，就不重复加入。它在红黑树中的监听关系仍然保留。

5. 唤醒等待线程。回调唤醒阻塞在 epoll 等待队列中的线程，使程序有机会继续执行。

6. 返回就绪事件。epoll_wait()检查就绪链表中的候选，确认当前状态，再把符合条件的事件返回给程序。

程序拿到“socket 101 可读”的事件后，再调用recv()读取数据。

epoll 返回的是就绪事件，实际数据由程序随后通过recv()从 socket 接收缓冲区读取。

可以用下面两条流程记住它：

注册：找到连接 → 保存监听记录 → 登记回调 → 检查当前状态 通知：数据到达 → 回调记录就绪 → 唤醒等待线程 → 返回事件 → recv 读取数据

红黑树记住“关注谁”，就绪链表记住“谁需要处理”，等待队列记住“哪些线程正在等事件”。