epoll源码分析以及在Redis中的实现
1.概述
这篇文章分析一下linux中epoll的实现原理，主要为了增强自己对网络调用的理解。业界使用epoll的框架比较多，随便就能列出来很多，比如jdk的nio在linux下的实现，以及netty、redis等涉及到长链接网络请求的地方，我们都可以直接使用epoll。文末会从redis源码简单看看如何使用epoll做IO多路复用实现高并发。
2.具体实现
参考官方文档描述：
The central concept of the epoll API is the epoll instance, an inkernel data structure which, from a user-space perspective, can be considered as a container for two lists
所以 其实就是epoll就是内核的一个数据结构。从用户空间的角度，其实就是两个链表。所以基本上就是维护两个链表就可以了。 理解完这段话，我们也就能理解Epoll提供了三个方法了：
create是初始化这个内核的数据结构。返回一个fd。众所周知，unix万物皆文件。所以，这里创建返回的是一个文件fd。每次操作我们只需要传入fd，内核便能拿到epoll对应的数据结构。
epoll_ctl就是对其中一个链表的操作。这个链表存放用户感兴趣的io事件。当然在注册事件的时候，会有一些其他的操作。后面详细解释
epoll_wait，则是返回就绪事件（感兴趣的事件）。然后让应用层去处理。
int epoll_create(int size)；
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
struct epoll_event {
__uint32_t events;
epoll_data_t data;
};
epoll_create方法
SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int, flags)
{
int error, fd;
struct eventpoll *ep = NULL;
struct file *file;
// 创建内部数据结构eventpoll
error = ep_alloc(&ep);
//查询未使用的fd
fd = get_unused_fd_flags(O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
file = anon_inode_getfile("[eventpoll]", &eventpoll_fops, ep,
O_RDWR | (flags & O_CLOEXEC));
ep->file = file;
fd_install(fd, file); //建立fd和file的关联关系
return fd;
out_free_fd:
put_unused_fd(fd);
out_free_ep:
ep_free(ep);
return error;
}
简单的说一下这个方法。首先这个方法返回一个文件描述符。我们使用这个文件描述符就可以找到对应的结构体。也就是一块内存区域。epoll的所有数据都会保存在这里。 这块内存区域用eventpoll结构体表示。 所以这个方法逻辑如下：
1.创建eventpoll结构体。初始化结构体相应的数据
2.查询一个未使用的fd，然后为epoll创建一个文件。将file的->private_data指向ep。创建文件的过程就不多说
3.将ep->file指向file。其实就是绑定一下。
4.将fd和file关联。这样我们就能通过fd找到对应的file。并找到ep对应的结构体（内存区域） 这里再说一下 file的private_data其实在设备驱动程序中非常重要，它可以指向一块自定义的数据结构。这也就是保证了一个设备驱动程序可以适配多个设备的原因。因为不同的设备可能存在不同的属性。epoll这里用private_data指向自己的数据结构是完全没有问题的。
eventpoll结构体内容如下。后面遇到详细说。
struct eventpoll {
spinlock_t lock;
struct mutex mtx;
wait_queue_head_t wq; //sys_epoll_wait（）使用的等待队列
wait_queue_head_t poll_wait; //file->poll()使用的等待队列
struct list_head rdllist; //所有准备就绪的文件描述符列表
struct rb_root rbr; //用于储存已监控fd的红黑树根节点
struct epitem *ovflist; //用于监听文件的结构。如果rdllist被锁定，临时事件会被连接到这里
struct wakeup_source *ws; // 当ep_scan_ready_list运行时使用wakeup_source
struct user_struct *user; //创建eventpoll描述符的用户
struct file *file;
int visited; //用于优化循环检测检查
struct list_head visited_list_link;
};
epoll_ctl方法
该方法主要就是对监听事件进行增删改。
SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int, epfd, int, op, int, fd,
struct epoll_event __user *, event)
{
int error;
int full_check = 0;
struct fd f, tf;
struct eventpoll *ep;
struct epitem *epi;
struct epoll_event epds;
struct eventpoll *tep = NULL;
error = -EFAULT;
//如果不是删除操作，将用户空间的epoll_event 拷贝到内核
if (ep_op_has_event(op) &&
copy_from_user(&epds, event, sizeof(struct epoll_event)))
f = fdget(epfd); //epfd对应的文件
tf = fdget(fd); //fd对应的文件.
...
ep = f.file->private_data; // 取出epoll_create过程创建的ep
...
epi = ep_find(ep, tf.file, fd); //ep红黑树中查看该fd
switch (op) {
case EPOLL_CTL_ADD:
if (!epi) {
epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
error = ep_insert(ep, &epds, tf.file, fd, full_check);
}
if (full_check)
clear_tfile_check_list();
break;
case EPOLL_CTL_DEL:
if (epi)
error = ep_remove(ep, epi);
break;
case EPOLL_CTL_MOD:
if (epi) {
epds.events |= POLLERR | POLLHUP;
error = ep_modify(ep, epi, &epds);
}
break;
}
mutex_unlock(&ep->mtx);
fdput(tf);
fdput(f);
...
return error;
}
上面省略了一些判断的代码。主要核心就是根据不同的事件类型执行不同的函数。
epoll调用ep_find从红黑树拿到对应的epi。如果已经存在，则不需要进行add。如果不存在，也不可进行remove和modify操作。整个过程会加锁。因为是红黑树，所以查找以及插入性能都是logn级别。所以对于高并发场景，也是能实现快速注册监听的。下面我们分别看一下这三个操作的逻辑。
ep_insert操作
顾名思义，就是加入监听事件。
static int ep_insert(struct eventpoll *ep, struct epoll_event *event,
struct file *tfile, int fd, int full_check)
{
int error, revents, pwake = 0;
unsigned long flags;
long user_watches;
struct epitem *epi;
struct ep_pqueue epq; //[小节2.4.5]
user_watches = atomic_long_read(&ep->user->epoll_watches);
if (unlikely(user_watches >= max_user_watches))
return -ENOSPC;
if (!(epi = kmem_cache_alloc(epi_cache, GFP_KERNEL)))
return -ENOMEM;
//构造并填充epi结构体
INIT_LIST_HEAD(&epi->rdllink);
INIT_LIST_HEAD(&epi->fllink);
INIT_LIST_HEAD(&epi->pwqlist);
epi->ep = ep;
ep_set_ffd(&epi->ffd, tfile, fd); // 将tfile和fd都赋值给ffd
epi->event = *event;
epi->nwait = 0;
epi->next = EP_UNACTIVE_PTR;
if (epi->event.events & EPOLLWAKEUP) {
error = ep_create_wakeup_source(epi);
} else {
RCU_INIT_POINTER(epi->ws, NULL);
}
epq.epi = epi;
//设置轮询回调函数
init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
//执行poll方法
revents = ep_item_poll(epi, &epq.pt);
spin_lock(&tfile->f_lock);
list_add_tail_rcu(&epi->fllink, &tfile->f_ep_links);
spin_unlock(&tfile->f_lock);
ep_rbtree_insert(ep, epi); //将将当前epi添加到RB树
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
//事件就绪 并且 epi的就绪队列有数据
if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) {
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
//唤醒正在等待文件就绪，即调用epoll_wait的进程
if (waitqueue_active(&ep->wq))
wake_up_locked(&ep->wq);
if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
pwake++;
}
spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
atomic_long_inc(&ep->user->epoll_watches);
if (pwake)
ep_poll_safewake(&ep->poll_wait); //唤醒等待eventpoll文件就绪的进程
return 0;
...
}
1.首先会初始化一个epi，对于目标文件的监听都是需要通过epi去维护。一个文件的监听对应一个epi。并且保存在ep的红黑树中。
struct epitem {
union {
struct rb_node rbn; //RB树节点将此结构链接到eventpoll RB树
struct rcu_head rcu; //用于释放结构体epitem
};
struct list_head rdllink; //时间的就绪队列，主要就是链接到eventpoll的rdllist
struct epitem *next; //配合eventpoll中的ovflist一起使用来保持单向链的条目
struct epoll_filefd ffd; //该结构 监听的文件描述符信息，每一个socket fd都会对应一个epitem 。就是通过这个结构关联
int nwait; //附加到poll轮询中的活跃等待队列数
struct list_head pwqlist; //用于保存被监听文件的等待队列
struct eventpoll *ep; //epi所属的ep
struct list_head fllink; //主要是为了实现一个文件被多个epoll监听。将该结构链接到文件的f_ep_link。
struct wakeup_source __rcu *ws; //设置EPOLLWAKEUP时使用的wakeup_source
struct epoll_event event; //监控的事件和文件描述符
};
2.初始化结束后，会将文件的fd以及对应文件指针绑定到epi的ffd中。主要作用就是将fd和改epi绑定起来。
struct epoll_filefd {
struct file *file;
int fd;
} __packed;
3.为epq的pt（其实就是一个poll_table）注册对应的函数ep_ptable_queue_proc。
struct ep_pqueue {
poll_table pt;
struct epitem *epi;
};
typedef struct poll_table_struct {
poll_queue_proc _qproc;
unsigned long _key;
} poll_table;
4.调用ep_item_poll方法。这个方法我简单说一下。他会调用文件系统的poll方法。
static inline unsigned int ep_item_poll(struct epitem *epi, poll_table *pt)
{
pt->_key = epi->event.events;、
return epi->ffd.file->f_op->poll(epi->ffd.file, pt) & epi->event.events;
}
不同的驱动程序，都会有自己的poll方法，如果是TCP套接字，这个poll方法就是tcp_poll。在TCP中，会周期性的调用这个方法，调用频率取决于协议栈中断频率的设置。一旦有事件到达后，对应的tcp_poll方法被调用，tcp_poll方法会回调用sock_poll_wait()，该方法会调用这里注册的ep_ptable_queue_proc方法。epoll其实就是通过此机制实现将自己的回调函数加入到文件的waitqueue中的。这也是ep_ptable_queue_proc的目的。
5.调用ep_item_poll后会返回revents。也就是该fd触发的事件。如果有我们感兴趣的事件，会将其插入到ep的rdllist中。如果有进程正在等待文件的就绪状态，也就是调用epoll_wait睡眠的进程。那么会唤醒等待进程。
if ((revents & event->events) && !ep_is_linked(&epi->rdllink)) {
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake(epi);
//唤醒正在等待文件就绪，即调用epoll_wait的进程
if (waitqueue_active(&ep->wq))
wake_up_locked(&ep->wq);
if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
pwake++;
}
ep_ptable_queue_proc方法
整个过程其实就是通过文件的poll方法绑定ep_ptable_queue_proc函数 。当该文件描述符对应的文件有事件到达后，回调用这个函数
Ps：其中file就是对应文件的结构体。当然 多个fd可以指向通过file结构。多个file可以同时指向同一个innode节点。在linux中，一个文件的内容是通过innode去定义描述的。file只是我们对文件操作的时候创建出来的。这个概念大家需要清楚。
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))) {
//初始化回调方法
init_waitqueue_func_entry(&pwq->wait, ep_poll_callback);
pwq->whead = whead;
pwq->base = epi;
//将ep_poll_callback放入等待队列whead
add_wait_queue(whead, &pwq->wait);
//将llink 放入epi->pwqlist的尾部
list_add_tail(&pwq->llink, &epi->pwqlist);
epi->nwait++;
} else {
epi->nwait = -1; //标记错误发生
}
}
static inline void
init_waitqueue_func_entry(wait_queue_t *q, wait_queue_func_t func)
{
q->flags = 0;
q->private = NULL;
q->func = func;
}
ep_ptable_queue_proc有三个参数。 file就是监听文件的指针，whead为该fd对应的设备等待队列。pt就是我们当时调用文件的poll传入的东西。
在ep_ptable_queue_proc，引入了eppoll_entry。也就是pwq。pwq主要完成epi和epi事件发生时callback函数的关联。
从上面代码可以看出。首先根据pt拿到对应的epi。然后通过pwq将三者关联。
最后通过add_wait_queue方法，将eppoll_entry挂在到fd的设备等待队列上。也就是注册epoll的回调函数。
所以这个方法的主要目标就是将eppoll_entry挂在到fd的设备等待队列上。当设备有硬件数据到达时，硬件中断处理函数会唤醒该队列上等待的进程时，会调用唤醒函数ep_poll_callback。
ep_poll_callback方法
这个函数主要功能就是，当被监听文件的事件就绪，将文件对应的epi加入到就绪队列。当应用层调用epoll_wait()的时候，内核会将就绪队列的事件拷贝到用户空间。报告给应用。
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;
spin_lock_irqsave(&ep->lock, flags);
if (unlikely(ep->ovflist != EP_UNACTIVE_PTR)) {
if (epi->next == EP_UNACTIVE_PTR) {
epi->next = ep->ovflist;
ep->ovflist = epi;
if (epi->ws) {
__pm_stay_awake(ep->ws);
}
}
goto out_unlock;
}
//如果此文件已在就绪列表中，很快就会退出
if (!ep_is_linked(&epi->rdllink)) {
//将epi就绪事件 插入到ep就绪队列
list_add_tail(&epi->rdllink, &ep->rdllist);
ep_pm_stay_awake_rcu(epi);
}
// 如果活跃，唤醒eventpoll等待队列和 ->poll()等待队列
if (waitqueue_active(&ep->wq))
wake_up_locked(&ep->wq); //当队列不为空，则唤醒进程
if (waitqueue_active(&ep->poll_wait))
pwake++;
out_unlock:
spin_unlock_irqrestore(&ep->lock, flags);
if (pwake)
ep_poll_safewake(&ep->poll_wait);
if ((unsigned long)key & POLLFREE) {
list_del_init(&wait->task_list); //删除相应的wait
smp_store_release(&ep_pwq_from_wait(wait)->whead, NULL);
}
return 1;
}
//判断等待队列是否为空
static inline int waitqueue_active(wait_queue_head_t *q)
{
return !list_empty(&q->task_list);
}
3.epoll实现总结
透过现象看本质，其实epoll的灵魂就是ep_item_poll和ep_poll_callback。
epoll依赖虚拟文件系统的ep_item_poll。将ep_poll_callback注册到对应文件的waitqueue中。当对应文件有数据到来。注册的函数就会被调用。epoll的回调会将对应文件的epi加入到就绪队列。
当用户调用epoll_wait()，epoll会加锁，将队列数据传递到用户空间，这个时间到的事件会被挂到ovflist中。
4.Redis使用Epoll
具体实现在ae_epoll.c中
typedef struct aeApiState {
// epoll_event 实例描述符
int epfd;
// 事件槽
struct epoll_event *events;
} aeApiState;
aeApiCreate方法
redis在初始化server的时候会调用aeCreateEventLoop方法。aeCreateEventLoop回调用aeApiCreate去创建epoll实例。
static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {
aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));
if (!state) return -1;
state->events = zmalloc(sizeof(struct kevent)*eventLoop->setsize);
if (!state->events) {
zfree(state);
return -1;
}
state->kqfd = kqueue();
if (state->kqfd == -1) {
zfree(state->events);
zfree(state);
return -1;
}
eventLoop->apidata = state;
return 0;
}
aeApiAddEvent方法
这个方法是关联事件到epoll，所以会调用epoll的ctl方法
static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
aeApiState *state = eventLoop->apidata;
struct epoll_event ee;
/* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD
* operation. Otherwise we need an ADD operation.
*
* 如果 fd 没有关联任何事件，那么这是一个 ADD 操作。
* 如果已经关联了某个/某些事件，那么这是一个 MOD 操作。
*/
int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ?
EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD;
// 注册事件到 epoll
ee.events = 0;
mask |= eventLoop->events[fd].mask; /* Merge old events */
if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;
if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT;
ee.data.u64 = 0; /* avoid valgrind warning */
ee.data.fd = fd;
if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;
return 0;
}
这个方法在redis服务创建一个新的客户端的时候会调用。会注册这个客户端的读事件。
当redis需要给客户端写数据的时候会调用prepareClientToWrite方法。这个方法主要是注册对应fd的写事件。
如果注册失败，redis就不会将数据写入缓冲。
如果对应套件字可写，那么redis的事件循环就会将缓冲区新数据写入socket。
aeMain方法
Redis事件处理器的主循环。
void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
eventLoop->stop = 0;
while (!eventLoop->stop) {
// 如果有需要在事件处理前执行的函数，那么运行它
if (eventLoop->beforesleep != NULL)
eventLoop->beforesleep(eventLoop);
// 开始处理事件
aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
}
}
这个方法最终会调用epoll_wait()获取对应事件并执行。