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前言:
見(jiàn)過(guò) select 和 poll，是時(shí)候見(jiàn)識(shí)下 epoll 的威力了！
還記得咱們之前聊的 select 和 poll 嗎？每次要監(jiān)聽(tīng)一堆連接時(shí)，它們會(huì)一遍一遍地“挨個(gè)問(wèn)”：“有事沒(méi)？有事沒(méi)？” 這種方式效率低得讓人心累。再多來(lái)點(diǎn)請(qǐng)求，服務(wù)器分分鐘就要癱了！
今天，我們要隆重介紹 epoll — 這個(gè) Linux I/O 多路復(fù)用機(jī)制的“王者”！它是如何做到讓 CPU 輕松高效處理成千上萬(wàn)連接的？只需簡(jiǎn)單幾步，讓需要響應(yīng)的連接自己“找上門(mén)來(lái)”，而其他不活躍的連接安安靜靜“打醬油”去吧。是不是聽(tīng)著就很酷？今天我們就來(lái)揭開(kāi) epoll 的神秘面紗，讓你徹底掌握它。
1、什么是 epoll？省時(shí)省力的 I/O 管家說(shuō)到 epoll，它的聰明之處就在于不再去主動(dòng)找那些“沉默”的連接，而是設(shè)置好監(jiān)聽(tīng)條件，只有符合條件的連接“自己來(lái)找你”！這就像你是公司客服，不用總?cè)?wèn)每個(gè)客戶“有什么問(wèn)題嗎”，而是讓有問(wèn)題的客戶來(lái)找你，省時(shí)省力。
2、為什么 epoll 比 select 和 poll 更強(qiáng)？1. 事件驅(qū)動(dòng)，省時(shí)省力：epoll 使用事件通知機(jī)制，只有真的有事件的連接才觸發(fā)通知，這就大大節(jié)省了資源。
2. 支持大規(guī)模連接：select 和 poll 在處理大量連接時(shí)效率會(huì)下降，并且 select 有文件描述符數(shù)量的限制。但 epoll 沒(méi)有！哪怕幾千上萬(wàn)個(gè)連接，它照樣輕松應(yīng)對(duì)。
3. 支持水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)：水平觸發(fā)（Level Triggered）類似“待辦事項(xiàng)”一直顯示，直到處理完畢；而邊緣觸發(fā)（Edge Triggered）更高效，只在狀態(tài)變化時(shí)通知一次，非常適合高性能場(chǎng)景。
3、epoll 的三步走：創(chuàng)建、登記、等待事件為了說(shuō)明 epoll 是如何高效管理大量客戶端連接，我們可以把它想象成一個(gè) VIP 俱樂(lè)部。在這個(gè)俱樂(lè)部里，每位 VIP 客戶只有在需要時(shí)才會(huì)聯(lián)系俱樂(lè)部，而我們只處理這些有需求的客戶。epoll 就是這個(gè)俱樂(lè)部的管理系統(tǒng)，通過(guò)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)高效管理和響應(yīng)每位 VIP 客戶的請(qǐng)求（這里的 VIP 客戶可以類比成網(wǎng)絡(luò)客戶端）。
3.1 第一步：創(chuàng)建 epoll 對(duì)象 —— 開(kāi)設(shè) VIP 俱樂(lè)部首先，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) VIP 俱樂(lè)部，把所有 VIP 客戶集中管理起來(lái)。這一步在代碼中通過(guò) epoll_create 函數(shù)實(shí)現(xiàn)：
int epoll_fd = epoll_create();
這里的 epoll_fd 是 VIP 俱樂(lè)部的“鑰匙”，有了它，我們就可以管理俱樂(lè)部中的所有 VIP 客戶(即：客戶端的連接 fd)。
圖解：VIP 俱樂(lè)部剛成立，還沒(méi)有客戶加入，等待后續(xù)登記。
紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)：VIP名單
VIP 俱樂(lè)部 (epoll_fd)
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+------------+-------------+
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[暫無(wú)客戶] [暫無(wú)客戶]
epoll 使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：紅黑樹(shù)
在系統(tǒng)內(nèi)核中，epoll 使用 紅黑樹(shù) 來(lái)存儲(chǔ)所有 VIP 客戶的“身份信息”（即客戶端連接的文件描述符 fd）。紅黑樹(shù)就像俱樂(lè)部的 VIP 名單，主要有以下特點(diǎn)：自平衡、節(jié)點(diǎn)有序：紅黑樹(shù)是一種自平衡二叉樹(shù)，確保 VIP 名單（fd 列表）始終保持有序，方便快速查找。操作高效：紅黑樹(shù)的增、刪、查操作的時(shí)間復(fù)雜度為 O(log N)，即使面對(duì)成百上千的 VIP 客戶（fd），也能迅速找到或更新信息。[/ol]類比：當(dāng)一個(gè)新客戶加入俱樂(lè)部時(shí)，他們的“身份信息”（fd）會(huì)按照規(guī)則被加入到紅黑樹(shù)中，方便隨時(shí)快速查找和處理。就像 VIP 名單按順序排列，每次新增或刪除客戶時(shí)，名單會(huì)自動(dòng)調(diào)整，確保查詢效率始終保持高效。
這樣通過(guò)創(chuàng)建一個(gè) epoll 對(duì)象，我們就相當(dāng)于開(kāi)設(shè)了 VIP 俱樂(lè)部，并準(zhǔn)備好隨時(shí)接納和管理更多 VIP 客戶（即客戶端連接）。
3.2 第二步：登記 VIP 客戶 —— 添加客戶并設(shè)定監(jiān)聽(tīng)事件俱樂(lè)部建立好后，接下來(lái)我們要“登記”每位 VIP 客戶的信息（即文件描述符 fd），并設(shè)定他們的“需求”。這一步通過(guò) epoll_ctl 函數(shù)來(lái)完成：
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN; // 設(shè)置監(jiān)聽(tīng)“有新請(qǐng)求”事件
ev.data.fd = sock_fd; // 客戶的文件描述符
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ev);
這段代碼的作用是把 VIP 客戶的信息和需求注冊(cè)到 epoll 系統(tǒng)中，就像給 VIP 客戶設(shè)定了一個(gè)“叫號(hào)規(guī)則”。
可以把這一步理解為給每個(gè) VIP 客戶設(shè)置了“有事叫我”的規(guī)則。
比如，VIP 客戶 sock_fd 設(shè)置的是“當(dāng)有新請(qǐng)求時(shí)叫我”。也就是說(shuō)，每位 VIP 客戶在俱樂(lè)部設(shè)定了一個(gè)規(guī)則：“有需求時(shí)叫我一聲�！�當(dāng) VIP 客戶真的有新請(qǐng)求（比如網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)到達(dá)）時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這個(gè)規(guī)則提醒我們?nèi)ヌ幚磉@個(gè)客戶的請(qǐng)求。這樣一來(lái)，epoll 可以高效地管理所有 VIP 客戶，不需要每次去問(wèn)每個(gè)客戶“有什么需求嗎”，而是等著他們自己“叫號(hào)”，大大節(jié)省了系統(tǒng)資源。
epoll 使用紅黑樹(shù)管理 VIP 客戶信息：
在 epoll 內(nèi)部，紅黑樹(shù)被用來(lái)管理所有 VIP 客戶的信息。這里的每一個(gè) VIP 客戶（即每一個(gè)客戶端文件描述符 fd）都會(huì)成為紅黑樹(shù)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
隨著客戶的逐漸登記，紅黑樹(shù)會(huì)逐漸填滿 VIP 客戶的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)客戶端連接fd。
圖解：
[ 客戶10 (fd10, 黑) ]
/ \
[ 客戶5 (fd5, 紅) ] [ 客戶15 (fd15, 黑) ]
/ \ \
[ 客戶3 (fd3, 黑) ] [ 客戶7 (fd7, 黑) ] [ 客戶18 (fd18, 紅) ]
// 紅黑樹(shù)特點(diǎn)說(shuō)明：紅黑樹(shù)的節(jié)點(diǎn)不是黑色就是紅色，根節(jié)點(diǎn)是黑色，且紅色節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)必須是黑色。
紅黑樹(shù)的關(guān)鍵作用:
高效管理客戶信息：紅黑樹(shù)可以快速找到每個(gè)客戶的位置，新增、查找、刪除 VIP 客戶的效率都很高。自動(dòng)平衡：紅黑樹(shù)有自動(dòng)平衡的機(jī)制，不會(huì)因?yàn)?VIP 客戶多了而影響查詢效率。小結(jié)：
通過(guò)“叫號(hào)規(guī)則”的設(shè)置，epoll 可以高效地管理大量 VIP 客戶，在有需求時(shí)迅速找到對(duì)應(yīng)的客戶，不浪費(fèi)資源。而紅黑樹(shù)為 epoll 提供了一個(gè)有序、平衡的管理系統(tǒng)，即使 VIP 客戶再多，也能保持高效的注冊(cè)和查找。
3.3 第三步：等待事件觸發(fā) —— 集中處理 VIP 客戶(客戶端fd)的請(qǐng)求當(dāng)所有 VIP 客戶都登記好之后，epoll 就進(jìn)入了“待命模式”，它會(huì)專注于那些“真的有事”的 VIP 客戶，其他客戶保持靜默就不用理會(huì)。這個(gè)等待事件觸發(fā)的過(guò)程通過(guò) epoll_wait 完成：
struct epoll_event events[10]; // 用來(lái)存儲(chǔ)觸發(fā)事件的客戶
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1); // 等待事件
for (int i = 0; i if (events.events & EPOLLIN) {
// 處理客戶的請(qǐng)求
}
}
類比：智能秘書(shū)模式
可以把 epoll_wait 理解為 epoll 的“智能秘書(shū)”， 只會(huì)通知我們那些“有需求”的 VIP 客戶。每當(dāng)調(diào)用 epoll_wait，它會(huì)檢查所有已登記的 VIP 客戶，并把有事件的客戶集中放在 events 數(shù)組里，返回給我們。這樣一來(lái)，我們只需處理這些真正有需求的 VIP 客戶，其他靜默的客戶則可以忽略，省時(shí)省力。
epoll 采用的另一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：雙向鏈表
在內(nèi)核中，epoll 會(huì)把所有“發(fā)出請(qǐng)求”的 VIP 客戶(真正有數(shù)據(jù)到來(lái)的客戶端fd)從紅黑樹(shù)移到雙向鏈表中。雙向鏈表中只存儲(chǔ)那些有數(shù)據(jù)到來(lái)的客戶端 fd，這樣 epoll_wait 能一次性返回所有“有數(shù)據(jù)到來(lái)”的客戶端fd，進(jìn)一步提高效率。
圖解：雙向鏈表專門(mén)存儲(chǔ)有需求的 VIP 客戶
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| 雙向鏈表 (只包含有需求的客戶) |
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| [ 客戶5 (fd5) ] [ 客戶10 (fd10) ] [ 客戶18 (fd18) ] |
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紅黑樹(shù) + 雙向鏈表：epoll 的高效組合
紅黑樹(shù)：負(fù)責(zé)管理所有 VIP 客戶的注冊(cè)信息，確保增刪查的效率。雙向鏈表：只存放那些已觸發(fā)事件的客戶，保證我們只需集中處理“有需求”的客戶。這種紅黑樹(shù)和雙向鏈表的組合，讓 epoll 能高效篩選出有請(qǐng)求的 VIP 客戶，把系統(tǒng)資源集中在真正有需求的連接上，大大提高了性能。epoll_wait 就像 epoll貼心的“智能秘書(shū)”，只提醒我們需要處理的 VIP 客戶，保證我們高效完成所有請(qǐng)求。
讓我們?cè)賮?lái)看一個(gè)圖，這張圖可以幫助我們更直觀地理解整個(gè) epoll 三步走的過(guò)程： |
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