下面文章在這段時間內(nèi)研究 select/poll/epoll的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的一點(diǎn)心得體會：
select，poll，epoll都是多路復(fù)用IO的函數(shù)，簡單說就是在一個線程里，可以同時處理多個文件描述符的讀寫。
select/poll的實(shí)現(xiàn)很類似，epoll是從select/poll擴(kuò)展而來，主要是為了解決select/poll天生的缺陷。
epoll在內(nèi)核版本2.6以上才出現(xiàn)的新的函數(shù)，而他們在linux內(nèi)核中的實(shí)現(xiàn)都是十分相似。
這三種函數(shù)都需要設(shè)備驅(qū)動提供poll回調(diào)函數(shù)，對于套接字而言，他們是 tcp_poll，udp_poll和datagram_poll;
對于自己開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動而言，是自己實(shí)現(xiàn)的poll接口函數(shù)。
select實(shí)現(xiàn)（2.6的內(nèi)核，其他版本的內(nèi)核，應(yīng)該都相差不多）
應(yīng)用程序調(diào)用select，進(jìn)入內(nèi)核調(diào)用sys_select，做些簡單初始化工作，接著進(jìn)入 core_sys_select，
此函數(shù)主要工作是把描述符集合從用戶空間復(fù)制到內(nèi)核空間， 最終進(jìn)入do_select，完成其主要的功能。
do_select里，調(diào)用 poll_initwait，主要工作是注冊poll_wait的回調(diào)函數(shù)為__pollwait，
當(dāng)在設(shè)備驅(qū)動的poll回調(diào)函數(shù)里調(diào)用poll_wait，其實(shí)就是調(diào)用__pollwait，
__pollwait的主要工作是把當(dāng)前進(jìn)程掛載到等待隊(duì)列里，當(dāng)?shù)却氖录絹砭蜁拘汛诉M(jìn)程。
接著執(zhí)行for循環(huán)，循環(huán)里首先遍歷每個文件描述符，調(diào)用對應(yīng)描述符的poll回調(diào)函數(shù)，檢測是否就緒，
遍歷完所有描述符之后，只要有描述符處于就緒狀態(tài),信號中斷,出錯或者超時，就退出循環(huán)，
否則會調(diào)用schedule_xxx函數(shù)，讓當(dāng)前進(jìn)程睡眠，一直到超時或者有描述符就緒被喚醒。
接著又會再次遍歷每個描述符，調(diào)用poll再次檢測。
如此循環(huán)，直到符合條件才會退出。
以下是 2.6.31內(nèi)核的有關(guān)select函數(shù)的部分片段：
他們調(diào)用關(guān)系：
select --> sys_select --> core_sys_select --> do_select
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int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time){ ktime_t expire, *to = NULL; struct poll_wqueues table; poll_table *wait; int retval, i, timed_out = 0; unsigned long slack = 0; ///這里為了獲得集合中的最大描述符，這樣可減少循環(huán)中遍歷的次數(shù)。 ///也就是為什么linux中select第一個參數(shù)為何如此重要了 rcu_read_lock(); retval = max_select_fd(n, fds); rcu_read_unlock(); if (retval < 0) return retval; n = retval; ////初始化 poll_table結(jié)構(gòu)，其中一個重要任務(wù)是把 __pollwait函數(shù)地址賦值給它， poll_initwait(&table); wait = &table.pt; if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) { wait = NULL; timed_out = 1; } if (end_time && !timed_out) slack = estimate_accuracy(end_time); retval = 0; ///主循環(huán)，將會在這里完成描述符的狀態(tài)輪訓(xùn) for (;;) { unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp; inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex; rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex; for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) { unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j; unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0; const struct file_operations *f_op = NULL; struct file *file = NULL; ///select中 fd_set 以及 do_select 中的 fd_set_bits 參數(shù)，都是按照位來保存描述符，意思是比如申請一個1024位的內(nèi)存， ///如果第 28位置1，說明此集合有 描述符 28， in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++; all_bits = in | out | ex; // 檢測讀寫異常3個集合中有無描述符 if (all_bits == 0) { i += __NFDBITS; continue; } for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) { int fput_needed; if (i >= n) break; if (!(bit & all_bits)) continue; file = fget_light(i, &fput_needed); ///通過 描述符 index 獲得 struct file結(jié)構(gòu)指針， if (file) { f_op = file->f_op; //通過 struct file 獲得 file_operations，這是操作文件的回調(diào)函數(shù)集合。 mask = DEFAULT_POLLMASK; if (f_op && f_op->poll) { wait_key_set(wait, in, out, bit); mask = (*f_op->poll)(file, wait); //調(diào)用我們的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的 poll函數(shù)， //因此，為了能讓select正常工作，在我們設(shè)備驅(qū)動中，必須要提供poll的實(shí)現(xiàn)， } fput_light(file, fput_needed); if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) { res_in |= bit; retval++; wait = NULL; /// 此處包括以下的，把wait設(shè)置為NULL，是因?yàn)闄z測到mask = (*f_op->poll)(file, wait); 描述符已經(jīng)就緒 /// 無需再把當(dāng)前進(jìn)程添加到等待隊(duì)列里，do_select 遍歷完所有描述符之后就會退出。 } if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) { res_out |= bit; retval++; wait = NULL; } if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) { res_ex |= bit; retval++; wait = NULL; } } } if (res_in) *rinp = res_in; if (res_out) *routp = res_out; if (res_ex) *rexp = res_ex; cond_resched(); } wait = NULL; //已經(jīng)遍歷完一遍，該加到等待隊(duì)列的，都已經(jīng)加了，無需再加，因此設(shè)置為NULL if (retval || timed_out || signal_pending(current)) //描述符就緒，超時，或者信號中斷就退出循環(huán) break; if (table.error) {//出錯退出循環(huán) retval = table.error; break; } /* * If this is the first loop and we have a timeout * given, then we convert to ktime_t and set the to * pointer to the expiry value. */ if (end_time && !to) { expire = timespec_to_ktime(*end_time); to = &expire; } /////讓進(jìn)程休眠，直到超時，或者被就緒的描述符喚醒， if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) timed_out = 1; } poll_freewait(&table); return retval;}void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq){ init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); //設(shè)置poll_table的回調(diào)函數(shù)為 __pollwait,這樣當(dāng)我們在驅(qū)動中調(diào)用poll_wait 就會調(diào)用到 __pollwait ........}static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address, poll_table *p){ ................... init_waitqueue_func_entry(&entry->wait, pollwake); // 設(shè)置喚醒進(jìn)程調(diào)用的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)在驅(qū)動中調(diào)用 wake_up喚醒隊(duì)列時候， // pollwake會被調(diào)用，這里其實(shí)就是調(diào)用隊(duì)列的默認(rèn)函數(shù) default_wake_function // 用來喚醒睡眠的進(jìn)程。 add_wait_queue(wait_address, &entry->wait); //加入到等待隊(duì)列}int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp, fd_set __user *exp, struct timespec *end_time){ ........ //把描述符集合從用戶空間復(fù)制到內(nèi)核空間 if ((ret = get_fd_set(n, inp, fds.in)) || (ret = get_fd_set(n, outp, fds.out)) || (ret = get_fd_set(n, exp, fds.ex))) ......... ret = do_select(n, &fds, end_time); ............. ////把do_select返回集合，從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間 if (set_fd_set(n, inp, fds.res_in) || set_fd_set(n, outp, fds.res_out) || set_fd_set(n, exp, fds.res_ex)) ret = -EFAULT; ............} |
poll的實(shí)現(xiàn)跟select基本差不多，按照
poll --> do_sys_poll --> do_poll --> do_pollfd 的調(diào)用序列
其中do_pollfd是對每個描述符調(diào)用 其回調(diào)poll狀態(tài)輪訓(xùn)。
poll比select的好處就是沒有描述多少限制，select 有1024 的限制，描述符不能超過此值，poll不受限制。
我們從上面代碼分析，可以總結(jié)出select/poll天生的缺陷：
1）每次調(diào)用select/poll都需要要把描述符集合從用戶空間copy到內(nèi)核空間，檢測完成之后，又要把檢測的結(jié)果集合從內(nèi)核空間copy到用戶空間
當(dāng)描述符很多，而且select經(jīng)常被喚醒，這種開銷會比較大
2）如果說描述符集合來回復(fù)制不算什么，那么多次的全部描述符遍歷就比較恐怖了，
我們在應(yīng)用程序中，每次調(diào)用select/poll 都必須首先遍歷描述符，把他們加到fd_set集合里，這是應(yīng)用層的第一次遍歷，
接著進(jìn)入內(nèi)核空間，至少進(jìn)行一次遍歷和調(diào)用每個描述符的poll回調(diào)檢測，一般可能是2次遍歷，第一次沒發(fā)現(xiàn)就緒描述符，
加入等待隊(duì)列，第二次是被喚醒，接著再遍歷一遍。再回到應(yīng)用層，我們還必須再次遍歷所有描述符，用 FD_ISSET檢測結(jié)果集。
如果描述符很多，這種遍歷就很消耗CPU資源了。
3）描述符多少限制，當(dāng)然poll沒有限制，select卻有1024的硬性限制，除了修改內(nèi)核增加1024限制外沒別的辦法。
既然有這么些缺點(diǎn) ，那不是 select/poll變得一無是處了，那就大錯特錯了。
他們依然是代碼移植的最好函數(shù)，因?yàn)閹缀跛衅脚_都有對它們的實(shí)現(xiàn)提供接口。
在描述符不是太多，他們依然十分出色的完成多路復(fù)用IO，
而且如果每個連接上的描述符都處于活躍狀態(tài)，他們的效率其實(shí)跟epoll也差不了多少。
曾經(jīng)使用多個線程+每個線程采用poll的辦法開發(fā)TCP服務(wù)器，處理文件收發(fā)，連接達(dá)到幾千個，
當(dāng)時的瓶頸已經(jīng)不在網(wǎng)絡(luò)IO，而在磁盤IO了。
我們再來看epoll為了解決select/poll天生的缺陷，是如何實(shí)現(xiàn)的。
epoll只是select/poll的擴(kuò)展，他不是在linux內(nèi)核中另起爐灶，做顛覆性的設(shè)計(jì)的，他只是在select的基礎(chǔ)上來解決他們的缺陷。
他的底層依然需要設(shè)備驅(qū)動提供poll回調(diào)來作為狀態(tài)檢測基礎(chǔ)。
epoll分為三個函數(shù) epoll_create,epoll_ctl, epoll_wait 。
他們的實(shí)現(xiàn)在 eventpoll.c代碼里。
epoll_create創(chuàng)建epoll設(shè)備，用來管理所有添加進(jìn)去的描述符，epoll_ctl 用來添加新的描述符，修改或者刪除描述符。
epoll_wait等待描述符事件。
epoll_wait的等待已經(jīng)不再是輪訓(xùn)方式的等待了，epoll內(nèi)部有個描述符就緒隊(duì)列，epoll_wait只檢測這個隊(duì)列即可，
他采用睡眠一會檢測一下的方式，如果發(fā)現(xiàn)描述符就緒隊(duì)列不為空，就把此隊(duì)列中的描述符copy到用戶空間，然后返回。
描述符就緒隊(duì)列里的數(shù)據(jù)又是從何而來的？
原來使用 epoll_ctl添加新描述符時候，epoll_ctl內(nèi)核實(shí)現(xiàn)里會修改兩個回調(diào)函數(shù)，
一個是 poll_table結(jié)構(gòu)里的qproc回調(diào)函數(shù)指針，
在 select中是 __pollwait函數(shù)，在epoll中換成 ep_ptable_queue_proc，
當(dāng)在epoll_ctl中調(diào)用新添加的描述符的poll回調(diào)時候，底層驅(qū)動就會調(diào)用 poll_wait添加等待隊(duì)列，
底層驅(qū)動調(diào)用poll_wait時候，
其實(shí)就是調(diào)用ep_ptable_queue_proc，此函數(shù)會修改等待隊(duì)列的回調(diào)函數(shù)為 ep_poll_callback， 并加入到等待隊(duì)列頭里；
一旦底層驅(qū)動發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)就緒，就會調(diào)用wake_up喚醒等待隊(duì)列，從而 ep_poll_callback將被調(diào)用，
在ep_poll_callback中 會把這個就緒的描述符添加到 epoll的描述符就緒隊(duì)列里，并同時喚醒 epoll_wait 所在的進(jìn)程。
如此這般，就是epoll的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的精髓。
看他是如何解決 select/poll的缺陷的， 首先他通過 epoll_ctl的EPOLL_CTL_ADD命令把描述符添加進(jìn)epoll內(nèi)部管理器里，
只需添加一次即可，直到用 epoll_ctl的EPOLL_CTL_DEL命令刪除此描述符為止，
而不像select/poll是每次執(zhí)行都必須添加，很顯然大量減少了描述符在內(nèi)核和用戶空間不斷的來回copy的開銷。
其次雖然 epoll_wait內(nèi)部也是循環(huán)檢測，但是它只需檢測描述符就緒隊(duì)列是否為空即可，
比起select/poll必須輪訓(xùn)每個描述符的poll，其開銷簡直可以忽略不計(jì)。
他同時也沒描述符多少的限制，只要你機(jī)器的內(nèi)存夠大，就能容納非常多的描述符。
以下是 epoll相關(guān)部分內(nèi)核代碼片段：
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struct epitem { /* RB tree node used to link this structure to the eventpoll RB tree */ struct rb_node rbn; // 紅黑樹節(jié)點(diǎn)， struct epoll_filefd ffd; // 存儲此變量對應(yīng)的描述符 struct epoll_event event; //用戶定義的結(jié)構(gòu) /*其他成員*/};struct eventpoll { /*其他成員*/ ....... /* Wait queue used by file->poll() */ wait_queue_head_t poll_wait; /* List of ready file descriptors */ struct list_head rdllist; ///描述符就緒隊(duì)列，掛載的是 epitem結(jié)構(gòu) /* RB tree root used to store monitored fd structs */ struct rb_root rbr; /// 存儲 新添加的 描述符的紅黑樹根， 此成員用來存儲添加進(jìn)來的所有描述符。掛載的是epitem結(jié)構(gòu) .........};//epoll_createSYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags){ int error; struct eventpoll *ep = NULL; /*其他代碼*/ ...... //分配 eventpoll結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)是epoll的靈魂，他包含了所有需要處理得數(shù)據(jù)。 error = ep_alloc(&ep); if (error < 0) return error; error = anon_inode_getfd("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep, flags & O_CLOEXEC); ///打開 eventpoll 的描述符，并把 ep存儲到 file->private_data變量里。 if (error < 0) ep_free(ep); return error;}SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd, struct epoll_event __user *, event){ /*其他代碼*/ ..... ep = file->private_data; ...... epi = ep_find(ep, tfile, fd); ///從 eventpoll的 rbr里查找描述符是 fd 的 epitem， error = -EINVAL; switch (op) { case EPOLL_CTL_ADD: if (!epi) { epds.events |= POLLERR | POLLHUP; error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd); // 在這個函數(shù)里添加新描述符，同時修改重要的回調(diào)函數(shù)。 //同時還調(diào)用描述符的poll，查看就緒狀態(tài) } else error = -EEXIST; break; /*其他代碼*/ ........}static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event, struct file *tfile, int fd){ ..... /*其他代碼*/ init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);//設(shè)置 poll_tabe回調(diào)函數(shù)為 ep_ptable_queue_proc //ep_ptable_queue_proc會設(shè)置等待隊(duì)列的回調(diào)指針為 ep_epoll_callback，同時添加等待隊(duì)列。 ........ /*其他代碼*/ revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt); //調(diào)用描述符的poll回調(diào)，在此函數(shù)里 ep_ptable_queue_proc會被調(diào)用 ....... /*其他代碼*/ ep_rbtree_insert(ep, epi); //把新生成關(guān)于epitem添加到紅黑樹里 ...... /*其他代碼*/ if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) { list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); //如果 上邊的poll調(diào)用，檢測到描述符就緒，添加本描述符到就緒隊(duì)列里。 if (waitqueue_active(&ep->wq)) wake_up_locked(&ep->wq); if (waitqueue_active(&ep->poll_wait)) pwake++; } ...... /*其他代碼*/ /* We have to call this outside the lock */ if (pwake) ep_poll_safewake(&ep->poll_wait); // 如果描述符就緒隊(duì)列不為空，則喚醒 epoll_wait所在的進(jìn)程。 ......... /*其他代碼*/}//這個函數(shù)設(shè)置等待隊(duì)列回調(diào)函數(shù)為 ep_poll_callback，//這樣到底層有數(shù)據(jù)喚醒等待隊(duì)列時候，ep_poll_callback就會被調(diào)用，從而把就緒的描述符加到就緒隊(duì)列。static void ep_ptable_queue_proc(struct file *file, wait_queue_head_t *whead, poll_table *pt){ struct epitem *epi = ep_item_from_epqueue(pt); struct eppoll_entry *pwq; if (epi->nwait >= 0 && (pwq = kmem_cache_alloc(pwq_cache, GFP_KERNEL))) { init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback); pwq->whead = whead; pwq->base = epi; add_wait_queue(whead, &pwq->wait); list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist); epi->nwait++; } else { /* We have to signal that an error occurred */ epi->nwait = -1; }}static int ep_poll_callback(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key){ int pwake = 0; unsigned long flags; struct epitem *epi = ep_item_from_wait(wait); struct eventpoll *ep = epi->ep; ......... /*其他代碼*/ if (!ep_is_linked(&epi->rdllink)) list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist); // 把當(dāng)前就緒的描述epitem結(jié)構(gòu)添加到就緒隊(duì)列里 ......... /*其他代碼*/ if (pwake) ep_poll_safewake(&ep->poll_wait); //如果隊(duì)列不為空，喚醒 epoll_wait所在進(jìn)程 ......... /*其他代碼*/}epoll_wait內(nèi)核代碼里主要是調(diào)用ep_poll，列出ep_poll部分代碼片段：static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout){ int res, eavail; unsigned long flags; long jtimeout; wait_queue_t wait; ......... /*其他代碼*/ if (list_empty(&ep->rdllist)) { init_waitqueue_entry(&wait, current); wait.flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE; __add_wait_queue(&ep->wq, &wait); // 如果檢測到就緒隊(duì)列為空，添加當(dāng)前進(jìn)程到等待隊(duì)列，并執(zhí)行否循環(huán) for (;;) { set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); if (!list_empty(&ep->rdllist) || !jtimeout) //如果就緒隊(duì)列不為空，或者超時則退出循環(huán) break; if (signal_pending(current)) { //如果信號中斷，退出循環(huán) res = -EINTR; break; } spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags); jtimeout = schedule_timeout(jtimeout);//睡眠，知道被喚醒或者超時為止。 spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags); } __remove_wait_queue(&ep->wq, &wait); set_current_state(TASK_RUNNING); } ......... /*其他代碼*/ if (!res && eavail && !(res = ep_send_events(ep, events, maxevents)) && jtimeout) goto retry; // ep_send_events主要任務(wù)是把就緒隊(duì)列的就緒描述符copy到用戶空間的 epoll_event數(shù)組里， return res;} |
可以看到 ep_poll既epoll_wait的循環(huán)是相當(dāng)輕松的循環(huán)，他只是簡單檢測就緒隊(duì)列而已，因此他的開銷很小。
我們最后看看描述符就緒時候，是如何通知給select/poll/epoll的，以網(wǎng)絡(luò)套接字的TCP協(xié)議來進(jìn)行說明。
tcp協(xié)議對應(yīng)的 poll回調(diào)是tcp_poll， 對應(yīng)的等待隊(duì)列頭是 struct sock結(jié)構(gòu)里 sk_sleep成員，
在tcp_poll中會把 sk_sleep加入到等待隊(duì)列，等待數(shù)據(jù)就緒。
當(dāng)物理網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包，引發(fā)硬件中斷，驅(qū)動在中斷ISR例程里，構(gòu)建skb包，把數(shù)據(jù)copy進(jìn)skb，接著調(diào)用netif_rx
把skb掛載到CPU相關(guān)的 input_pkt_queue隊(duì)列，同時引發(fā)軟中斷，在軟中斷的net_rx_action回調(diào)函數(shù)里從input_pkt_queue里取出
skb數(shù)據(jù)包，通過分析，調(diào)用協(xié)議相關(guān)的回調(diào)函數(shù)，這樣層層傳遞，一直到struct sock，此結(jié)構(gòu)里的 sk_data_ready回調(diào)指針被調(diào)用
sk_data_ready指向 sock_def_readable 函數(shù)，sock_def_readable函數(shù)其實(shí)就是 wake_up 喚醒 sock結(jié)構(gòu)里 的 sk_sleep。
以上機(jī)制，對 select/poll/epoll都是一樣的，接下來喚醒 sk_sleep方式就不一樣了，因?yàn)樗麄冎赶蛄瞬煌幕卣{(diào)函數(shù)。
在 select/poll實(shí)現(xiàn)中，等待隊(duì)列回調(diào)函數(shù)是 pollwake其實(shí)就是調(diào)用default_wake_function，喚醒被select阻塞住的進(jìn)程。
epoll實(shí)現(xiàn)中，等待回調(diào)函數(shù)是 ep_poll_callback， 此回調(diào)函數(shù)只是把就緒描述符加入到epoll的就緒隊(duì)列里。
所以呢 select/poll/epoll其實(shí)他們在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中，差別也不是太大，其實(shí)都差不多。
epoll雖然效率不錯，可以跟windows平臺中的完成端口比美，但是移植性太差，
目前幾乎就只有l(wèi)inux平臺才實(shí)現(xiàn)了epoll而且必須是2.6以上的內(nèi)核版本。
