別再糾結(jié) select 和 poll 了！epoll 才是 I/O 復用的頂流擔當！

一口Linux

前言:
見過 select 和 poll，是時候見識下 epoll 的威力了！
還記得咱們之前聊的 select 和 poll 嗎？每次要監(jiān)聽一堆連接時，它們會一遍一遍地“挨個問”：“有事沒？有事沒？” 這種方式效率低得讓人心累。再多來點請求，服務器分分鐘就要癱了！
今天，我們要隆重介紹 epoll — 這個 Linux I/O 多路復用機制的“王者”！它是如何做到讓 CPU 輕松高效處理成千上萬連接的？只需簡單幾步，讓需要響應的連接自己“找上門來”，而其他不活躍的連接安安靜靜“打醬油”去吧。是不是聽著就很酷？今天我們就來揭開 epoll 的神秘面紗，讓你徹底掌握它。
1、什么是 epoll？省時省力的 I/O 管家說到 epoll，它的聰明之處就在于不再去主動找那些“沉默”的連接，而是設置好監(jiān)聽條件，只有符合條件的連接“自己來找你”！這就像你是公司客服，不用總?cè)�問每個客戶“有什么問題嗎”，而是讓有問題的客戶來找你，省時省力。
2、為什么 epoll 比 select 和 poll 更強？1. 事件驅(qū)動，省時省力：epoll 使用事件通知機制，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 在處理大量連接時效率會下降，并且 select 有文件描述符數(shù)量的限制。但 epoll 沒有！哪怕幾千上萬個連接，它照樣輕松應對。
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”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)變化時通知一次，非常適合高性能場景。
3、epoll 的三步走：創(chuàng)建、登記、等待事件為了說明 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 VIP 俱樂部。在這個俱樂部里，每位 VIP 客戶只有在需要時才會聯(lián)系俱樂部，而我們只處理這些有需求的客戶。epoll 就是這個俱樂部的管理系統(tǒng)，通過特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來高效管理和響應每位 VIP 客戶的請求（這里的 VIP 客戶可以類比成網(wǎng)絡客戶端）。
3.1 第一步：創(chuàng)建 epoll 對象 —— 開設 VIP 俱樂部首先，我們需要創(chuàng)建一個 VIP 俱樂部，把所有 VIP 客戶集中管理起來。這一步在代碼中通過 epoll_create 函數(shù)實現(xiàn)：
int epoll_fd = epoll_create();
這里的 epoll_fd 是 VIP 俱樂部的“鑰匙”，有了它，我們就可以管理俱樂部中的所有 VIP 客戶(即：客戶端的連接 fd)。
圖解：VIP 俱樂部剛成立，還沒有客戶加入，等待后續(xù)登記。
紅黑樹結(jié)構(gòu)：VIP名單
              VIP 俱樂部 (epoll_fd)
                    |
                    |
                    |
       +------------+-------------+
       |                          |
   [暫無客戶]                 [暫無客戶]
epoll 使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：紅黑樹
在系統(tǒng)內(nèi)核中，epoll 使用 紅黑樹 來存儲所有 VIP 客戶的“身份信息”（即客戶端連接的文件描述符 fd）。紅黑樹就像俱樂部的 VIP 名單，主要有以下特點：

自平衡、節(jié)點有序：紅黑樹是一種自平衡二叉樹，確保 VIP 名單（fd 列表）始終保持有序，方便快速查找。

操作高效：紅黑樹的增、刪、查操作的時間復雜度為 O(log N)，即使面對成百上千的 VIP 客戶（fd），也能迅速找到或更新信息。[/ol]類比：當一個新客戶加入俱樂部時，他們的“身份信息”（fd）會按照規(guī)則被加入到紅黑樹中，方便隨時快速查找和處理。就像 VIP 名單按順序排列，每次新增或刪除客戶時，名單會自動調(diào)整，確保查詢效率始終保持高效。
這樣通過創(chuàng)建一個 epoll 對象，我們就相當于開設了 VIP 俱樂部，并準備好隨時接納和管理更多 VIP 客戶（即客戶端連接）。
3.2 第二步：登記 VIP 客戶 —— 添加客戶并設定監(jiān)聽事件俱樂部建立好后，接下來我們要“登記”每位 VIP 客戶的信息（即文件描述符 fd），并設定他們的“需求”。這一步通過 epoll_ctl 函數(shù)來完成：
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;        // 設置監(jiān)聽“有新請求”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到 epoll 系統(tǒng)中，就像給 VIP 客戶設定了一個“叫號規(guī)則”。
可以把這一步理解為給每個 VIP 客戶設置了“有事叫我”的規(guī)則。

比如，VIP 客戶 sock_fd 設置的是“當有新請求時叫我”。也就是說，每位 VIP 客戶在俱樂部設定了一個規(guī)則：“有需求時叫我一聲�！�

當 VIP 客戶真的有新請求（比如網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)到達）時，系統(tǒng)就會根據(jù)這個規(guī)則提醒我們?nèi)ヌ幚磉@個客戶的請求。這樣一來，epoll 可以高效地管理所有 VIP 客戶，不需要每次去問每個客戶“有什么需求嗎”，而是等著他們自己“叫號”，大大節(jié)省了系統(tǒng)資源。
epoll 使用紅黑樹管理 VIP 客戶信息：
在 epoll 內(nèi)部，紅黑樹被用來管理所有 VIP 客戶的信息。這里的每一個 VIP 客戶（即每一個客戶端文件描述符 fd）都會成為紅黑樹中的一個節(jié)點。
隨著客戶的逐漸登記，紅黑樹會逐漸填滿 VIP 客戶的節(jié)點。每個節(jié)點代表一個客戶端連接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) ]
// 紅黑樹特點說明：紅黑樹的節(jié)點不是黑色就是紅色，根節(jié)點是黑色，且紅色節(jié)點的子節(jié)點必須是黑色。
紅黑樹的關鍵作用:

高效管理客戶信息：紅黑樹可以快速找到每個客戶的位置，新增、查找、刪除 VIP 客戶的效率都很高。

自動平衡：紅黑樹有自動平衡的機制，不會因為 VIP 客戶多了而影響查詢效率。小結(jié)：
通過“叫號規(guī)則”的設置，epoll 可以高效地管理大量 VIP 客戶，在有需求時迅速找到對應的客戶，不浪費資源。而紅黑樹為 epoll 提供了一個有序、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)的請求當所有 VIP 客戶都登記好之后，epoll 就進入了“待命模式”，它會專注于那些“真的有事”的 VIP 客戶，其他客戶保持靜默就不用理會。這個等待事件觸發(fā)的過程通過 epoll_wait 完成：
struct epoll_event events[10];          // 用來存儲觸發(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) {
        // 處理客戶的請求
    }
}
類比：智能秘書模式
可以把 epoll_wait 理解為 epoll 的“智能秘書”， 只會通知我們那些“有需求”的 VIP 客戶。每當調(diào)用 epoll_wait，它會檢查所有已登記的 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，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，省時省力。
epoll 采用的另一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：雙向鏈表
在內(nèi)核中，epoll 會把所有“發(fā)出請求”的 VIP 客戶(真正有數(shù)據(jù)到來的客戶端fd)從紅黑樹移到雙向鏈表中。雙向鏈表中只存儲那些有數(shù)據(jù)到來的客戶端 fd，這樣 epoll_wait 能一次性返回所有“有數(shù)據(jù)到來”的客戶端fd，進一步提高效率。
圖解：雙向鏈表專門存儲有需求的 VIP 客戶
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|           雙向鏈表 (只包含有需求的客戶)                                                                                   |
|                                                                                                            |
|   [ 客戶5 (fd5) ]  [ 客戶10 (fd10) ]  [ 客戶18 (fd18) ]   |
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紅黑樹 + 雙向鏈表：epoll 的高效組合

紅黑樹：負責管理所有 VIP 客戶的注冊信息，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。這種紅黑樹和雙向鏈表的組合，讓 epoll 能高效篩選出有請求的 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”，只提醒我們需要處理的 VIP 客戶，保證我們高效完成所有請求。
讓我們再來看一個圖，這張圖可以幫助我們更直觀地理解整個 epoll 三步走的過程：