上一篇提到了Redis采用epoll模型来提升链接处理能力。本文，我们从源代码的角度，简单理解Redis是如何使用epoll以及epoll的实现原理。浅入浅出~

通过本文了解如下三件事儿，就算是达到了本文目的：

1、epoll是Linux提供的系统实现，核心方法只有三个

2、epoll效率高，是因为基于红黑树、双向链表、事件回调机制

3、redis的IO多路复用，Linux上用epoll进行了实现

epoll是Linux内核提供的一种多路复用器，照例问问Linux的男人：


EPOLL(7)                    Linux Programmer's Manual                    EPOLL(7)NAMEepoll - I/O event notification facilitySYNOPSIS#include <sys/epoll.h>DESCRIPTIONThe epoll API performs a similar task to poll(2): monitoring multiple filedescriptors to see if I/O is possible on any of them.  The epoll  API  canbe  used  either  as  an edge-triggered or a level-triggered interface andscales well to large numbers of watched file descriptors.   The  followingsystem calls are provided to create and manage an epoll instance:*  epoll_create(2) creates an epoll instance and returns a file descriptorreferring to that instance.  (The more recent epoll_create1(2)  extendsthe functionality of epoll_create(2).)*  Interest   in  particular  file  descriptors  is  then  registered  viaepoll_ctl(2).  The set of file descriptors currently registered  on  anepoll instance is sometimes called an epoll set.*  epoll_wait(2)  waits  for I/O events, blocking the calling thread if noevents are currently available.

核心方法

man告诉我们epoll的定义在sys/epoll.h中，查看核心函数有3个：（在线代码https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.76/source/fs/eventpoll.c）

epoll_create

epoll_create(int size)

核心功能：

创建一个epoll文件描述符
创建eventpoll，其中包含红黑树cache和双向链表

参数size并不是限制了epoll所能监听的文件描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。在Linux 2.6.8后，size 参数被忽略，但是必须传一个比 0 大的数。

调用epoll_create后，会占用一个fd值。在Linux下可以查看/proc/$$/fd/ 文件描述符。使用完，需要调用close关闭。

eventpoll代码片段：


struct eventpoll {/** This mutex is used to ensure that files are not removed* while epoll is using them. This is held during the event* collection loop, the file cleanup path, the epoll file exit* code and the ctl operations.*/struct mutex mtx;/* Wait queue used by sys_epoll_wait() */wait_queue_head_t wq;/* Wait queue used by file->poll() */wait_queue_head_t poll_wait;/* List of ready file descriptors */struct list_head rdllist;//就绪列表，采用双向链表/* RB tree root used to store monitored fd structs */struct rb_root_cached rbr;//红黑树，保存存活的fd/** This is a single linked list that chains all the "struct epitem" that* happened while transferring ready events to userspace w/out* holding ->wq.lock.*/struct epitem *ovflist;/* wakeup_source used when ep_scan_ready_list is running */struct wakeup_source *ws;/* The user that created the eventpoll descriptor */struct user_struct *user;struct file *file;/* used to optimize loop detection check */int visited;struct list_head visited_list_link;#ifdef CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL/* used to track busy poll napi_id */unsigned int napi_id;
#endif
};

epollctl

int epollctl(int epfd, int op, int fd, struct epollevent *event)；

核心功能：

对指定描述符fd执行op的绑定操作
把fd写入红黑树，同时在内核注册回调函数

op操作类型，用三个宏EPOLL_CTL_ADD，EPOLL_CTL_DEL，EPOLL_CTL_MOD，来分别表示增删改对fd的监听。

epollwait

int epollwait(int epfd, struct epollevent *events, int maxevents, int timeout);

核心功能：

获取epfd上的io事件

参数events是就绪事件，用来得到想要获得的事件集合。maxevents表示的events有多大，maxevents的值必须大于0，参数timeout是超时时间。epollwait会阻塞，直到一个文件描述符触发了事件，或者被一个信号处理函数打断，或者timeout超时。返回值是需要处理的fd数量。

工作机制

建立高速缓存（红黑树）和待读取列表（双向链表）
对要监控的fd（一切都是fd，参考NIO 看破也说破（一）—— Linux/IO 基础），进行事件绑定。事件发生，通过callback放入待读取列表
阻塞获取待读取列表

执行流程

优点

epoll创建的红黑树保存所有fd，没有大小限制，且增删查的复杂度O(logN)
基于callback，利用系统内核触发感兴趣的事件
就绪列表为双线链表时间复杂度O(1)
应用获取到的fd都是真实发生IO的fd，与select 和 poll 需要不断轮询判断是否可用相比，能避免无用的内存拷贝

结合Redis代码

源码太多，我们只看和本文相关的模块

事件处理模块 ae.c/ae_epoll.c

网路链接库 anet.c和networking.c

服务器端 server.c

创建事件管理器

server.c 的 L2702 initServer() 是redis server 的启动入口，

首先创建aeEventLoop对象，在L2743调用 aeCreateEventLoop()，初始化未就绪文件事件表、就绪文件事件表。events指针指向未就绪文件事件表、fired指针指向就绪文件事件表。


aeEventLoop *aeCreateEventLoop(int setsize) {aeEventLoop *eventLoop;int i;if ((eventLoop = zmalloc(sizeof(*eventLoop))) == NULL) goto err;eventLoop->events = zmalloc(sizeof(aeFileEvent)*setsize);eventLoop->fired = zmalloc(sizeof(aeFiredEvent)*setsize);if (eventLoop->events == NULL || eventLoop->fired == NULL) goto err;eventLoop->setsize = setsize;eventLoop->lastTime = time(NULL);eventLoop->timeEventHead = NULL;eventLoop->timeEventNextId = 0;eventLoop->stop = 0;eventLoop->maxfd = -1;eventLoop->beforesleep = NULL;eventLoop->aftersleep = NULL;eventLoop->flags = 0;if (aeApiCreate(eventLoop) == -1) goto err;/* Events with mask == AE_NONE are not set. So let's initialize the* vector with it. */for (i = 0; i < setsize; i++)eventLoop->events[i].mask = AE_NONE;return eventLoop;err:if (eventLoop) {zfree(eventLoop->events);zfree(eventLoop->fired);zfree(eventLoop);}return NULL;
}

在ae_epoll.c L39 调用aeApiCreate 函数，首先创建了aeApiState对象，初始化了epoll就绪事件表；然后调用epoll_create创建了epoll实例，最后将该aeApiState赋值给apidata属性


static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));if (!state) return -1;state->events = zmalloc(sizeof(struct epoll_event)*eventLoop->setsize);if (!state->events) {zfree(state);return -1;}state->epfd = epoll_create(1024); /* 1024 is just a hint for the kernel */if (state->epfd == -1) {zfree(state->events);zfree(state);return -1;}eventLoop->apidata = state;return 0;
}

绑定事件

aeFileEvent是文件事件结构，对于每一个具体的事件，都有读处理函数和写处理函数。Redis 调用aeCreateFileEvent函数针对不同的套接字的读写事件，注册对应的文件事件。


/* File event structure */
typedef struct aeFileEvent {int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE|BARRIER) */aeFileProc *rfileProc;//读aeFileProc *wfileProc;//写void *clientData;
} aeFileEvent;

server.c L2848 aeCreateFileEvent 创建文件事件，执行 ae_epoll.c L73 aeApiAddEvent


static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {aeApiState *state = eventLoop->apidata;struct epoll_event ee = {0}; /* avoid valgrind warning *//* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD* operation. Otherwise we need an ADD operation. */int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ?EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD;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.fd = fd;if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;return 0;
}

aeApiAddEvent 调用系统 epoll_ctl，注册事件

处理事件

server.c倒数第三行，调用aeMain方法


void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {eventLoop->stop = 0;while (!eventLoop->stop) {if (eventLoop->beforesleep != NULL)eventLoop->beforesleep(eventLoop);aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|AE_CALL_AFTER_SLEEP);}
}

aeProcessEvents方法中针对事件和文件事件处理，在ae.c L433 调用 aeApiPoll，方法具体实现在ae_poll.c L108：


static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {aeApiState *state = eventLoop->apidata;int retval, numevents = 0;retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);if (retval > 0) {int j;numevents = retval;for (j = 0; j < numevents; j++) {int mask = 0;struct epoll_event *e = state->events+j;if (e->events & EPOLLIN) mask |= AE_READABLE;if (e->events & EPOLLOUT) mask |= AE_WRITABLE;if (e->events & EPOLLERR) mask |= AE_WRITABLE|AE_READABLE;if (e->events & EPOLLHUP) mask |= AE_WRITABLE|AE_READABLE;eventLoop->fired[j].fd = e->data.fd;eventLoop->fired[j].mask = mask;}}return numevents;
}

调用epoll_wait阻塞等待epoll的事件就绪，超时时间就是之前根据最快达到时间事件计算而来的超时时间；然后将就绪的epoll事件转换到fired就绪事件。aeApiPoll就是上文所说的I/O多路复用程序。

结论

epoll_create 创建就绪列表
epoll_ctl绑定事件，事件发生时fd到就绪列表
epoll_wait读取就绪列表

参考：

redis6.0.1源码

https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.76/source/fs/eventpoll.c

man手册

NIO 看破也说破（一）—— Linux/IO 基础

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