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从事服务端开发，少不了要接触网络编程。epoll 作为 linux 下高性能网络服务器的必备技术至关重要，nginx、redis、skynet 和大部分游戏服务器都应用到这一多路复用技术。
文/ 罗培羽
因为 epoll 的重要性，不少游戏公司（如某某九九）在招聘服务端同学时，可能会问及 epoll 相干的问题。比方 epoll 和 select 的区别是什么？epoll 高效率的起因是什么？如果只靠背诵，显然不能算上粗浅的了解。
网上尽管也有不少解说 epoll 的文章，但要不是过于通俗，就是陷入源码解析，很少能有通俗易懂的。于是决定编写此文，让不足业余背景常识的读者也可能明确 epoll 的原理。文章核心思想是：
要让读者清晰明确 EPOLL 为什么性能好。
本文会从网卡接收数据的流程讲起，串联起 CPU 中断、操作系统过程调度等常识；再一步步剖析阻塞接收数据、select 到 epoll 的进化过程；最初探索 epoll 的实现细节。目录：
一、从网卡接收数据说起
二、如何晓得接管了数据？
三、过程阻塞为什么不占用 cpu 资源？
四、内核接管网络数据全过程
五、同时监督多个 socket 的简略办法
六、epoll 的设计思路
七、epoll 的原理和流程
八、epoll 的实现细节
九、论断
一、从网卡接收数据说起
下图是一个典型的计算机结构图，计算机由 CPU、存储器（内存）、网络接口等部件组成。理解 epoll 实质的 第一步 ，要从 硬件 的角度看计算机怎么接管网络数据。
计算机结构图（图片起源：linux 内核齐全正文之微型计算机组成构造）
下图展现了网卡接收数据的过程。在①阶段，网卡收到网线传来的数据；通过②阶段的硬件电路的传输；最终将数据写入到内存中的某个地址上（③阶段）。这个过程波及到 DMA 传输、IO 通路抉择等硬件无关的常识，但咱们只需晓得：网卡会把接管到的数据写入内存。
网卡接收数据的过程
通过硬件传输，网卡接管的数据寄存到内存中。操作系统就能够去读取它们。
二、如何晓得接管了数据？
理解 epoll 实质的 第二步 ，要从CPU 的角度来看数据接管。要了解这个问题，要先理解一个概念——中断。
计算机执行程序时，会有优先级的需要。比方，当计算机收到断电信号时（电容能够保留少许电量，供 CPU 运行很短的一小段时间），它应立即去保留数据，保留数据的程序具备较高的优先级。
一般而言，由硬件产生的信号须要 cpu 立马做出回应（不然数据可能就失落），所以它的优先级很高。cpu 理当中断掉正在执行的程序，去做出响应；当 cpu 实现对硬件的响应后，再从新执行用户程序。中断的过程如下图，和函数调用差不多。只不过函数调用是当时定好地位，而中断的地位由“信号”决定。
中断程序调用
以键盘为例，当用户按下键盘某个按键时，键盘会给 cpu 的中断引脚收回一个高电平。cpu 可能捕捉这个信号，而后执行键盘中断程序。下图展现了各种硬件通过中断与 cpu 交互。
cpu 中断（图片起源：net.pku.edu.cn）
当初能够答复本节提出的问题了：当网卡把数据写入到内存后，网卡向 cpu 收回一个中断信号，操作系统便能得悉有新数据到来 ，再通过网卡 中断程序 去解决数据。
三、过程阻塞为什么不占用 cpu 资源？
理解 epoll 实质的 第三步 ，要从 操作系统过程调度 的角度来看数据接管。阻塞是过程调度的要害一环，指的是过程在期待某事件（如接管到网络数据）产生之前的期待状态，recv、select 和 epoll 都是阻塞办法。理解“过程阻塞为什么不占用 cpu 资源？”，也就可能理解这一步。
为简略起见，咱们从一般的 recv 接管开始剖析，先看看上面代码：
// 创立 socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 绑定
bind(s, ...)
// 监听
listen(s, ...)
// 承受客户端连贯
int c = accept(s, ...)
// 接管客户端数据
recv(c, ...);
// 将数据打印进去
printf(...)这是一段最根底的网络编程代码，先新建 socket 对象，顺次调用 bind、listen、accept，最初调用 recv 接收数据。recv 是个阻塞办法，当程序运行到 recv 时，它会始终期待，直到接管到数据才往下执行。
插入：如果您还不太熟悉网络编程，欢送浏览我编写的《Unity3D 网络游戏实战(第 2 版)》，会有具体的介绍。
那么阻塞的原理是什么？
工作队列
操作系统为了反对多任务，实现了过程调度的性能，会把过程分为“运行”和“期待”等几种状态。运行状态是过程取得 cpu 使用权，正在执行代码的状态；期待状态是阻塞状态，比方上述程序运行到 recv 时，程序会从运行状态变为期待状态，接管到数据后又变回运行状态。操作系统会分时执行各个运行状态的过程，因为速度很快，看上去就像是同时执行多个工作。
下图中的计算机中运行着 A、B、C 三个过程，其中过程 A 执行着上述根底网络程序，一开始，这 3 个过程都被操作系统的工作队列所援用，处于运行状态，会分时执行。
工作队列中有 A、B 和 C 三个过程
期待队列
当过程 A 执行到创立 socket 的语句时，操作系统会创立一个由文件系统治理的 socket 对象（如下图）。这个 socket 对象蕴含了发送缓冲区、接收缓冲区、期待队列等成员。期待队列是个十分重要的构造，它指向所有须要期待该 socket 事件的过程。
创立 socket
当程序执行到 recv 时，操作系统会将过程 A 从工作队列挪动到该 socket 的期待队列中（如下图）。因为工作队列只剩下了过程 B 和 C，根据过程调度，cpu 会轮流执行这两个过程的程序，不会执行过程 A 的程序。所以过程 A 被阻塞，不会往下执行代码，也不会占用 cpu 资源。
socket 的期待队列
ps：操作系统增加期待队列只是增加了对这个“期待中”过程的援用，以便在接管到数据时获取过程对象、将其唤醒，而非间接将过程治理纳入本人之下。上图为了不便阐明，间接将过程挂到期待队列之下。
唤醒过程
当 socket 接管到数据后，操作系统将该 socket 期待队列上的过程从新放回到工作队列，该过程变成运行状态，继续执行代码。也因为 socket 的接收缓冲区曾经有了数据，recv 能够返回接管到的数据。
以下内容待续
四、内核接管网络数据全过程
五、同时监督多个 socket 的简略办法
六、epoll 的设计思路
七、epoll 的原理和流程
八、epoll 的实现细节
九、论断
既然说到网络编程，笔者的 《Unity3D 网络游戏实战（第 2 版）》 是一本专门介绍如何开发 多人网络游戏 的书籍，用实例介绍开发游戏的全过程，十分实用。书中对网络编程有具体的解说，全书用一个大例子贯通，真正的“实战”教程。
致谢：本文力求具体阐明 epoll 的原理，特别感谢
@陆俊壕
@AllenKong12
雄爷、堂叔 等共事审阅了文章并给予修改意见。
