epoll的源码究竟隐藏了哪些高效的I/O处理秘密？

epoll 是 Linux 内核中用于高效处理 I/O 多路复用的机制，其源码实现主要包含在fs/eventpoll.c 文件中，以下是 epoll 核心数据结构和关键函数的详细解析：

主要数据结构

1、eventpoll：这是 epoll 的核心数据结构，对应于一个 epoll 描述符。

struct eventpoll {
    spinlock_t lock;
    struct mutex mtx;
    wait_queue_head_t wq; // sys_epoll_wait() 等待在这里
    wait_queue_head_t poll_wait;
    struct list_head rdllist; // 已就绪的需要检查的 epitem 列表
    struct rb_root rbr; // 保存所有加入到当前 epoll 的文件对应的 epitem
    struct epitem *ovflist; // 当正在向用户空间复制数据时, 产生的可用文件
    struct user_struct *user;
    struct file *file;
    int visited;
    struct list_head visited_list_link;
};

2、epitem：对应于一个加入到 epoll 的文件。

struct epitem {
    struct rb_node rbn;
    struct list_head rdllink;
    struct epitem *next;
    struct epoll_filefd ffd;
    int nwait;
    struct list_head pwqlist;
    struct eventpoll *ep;
    struct list_head fllink;
    struct epoll_event event;
};

3、eppoll_entry：与一个文件上的一个 wait_queue_head 相关联。

struct eppoll_entry {
    struct list_head llink;
    struct epitem *base;
    wait_queue_t wait;
    wait_queue_head_t *whead;
};

关键函数

1、epoll_create()：创建一个新的 epoll 实例。

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create, int size)
{
    if (size <= 0)
        return EINVAL;
    return sys_epoll_create1(0);
}

2、epoll_create1()：实际的 epoll 创建函数。

SYSCALL_DEFINE1(epoll_create1, int flags)
{
    int error;
    struct eventpoll *ep = NULL;
    BUILD_BUG_ON(EPOLL_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
    if (flags & ~EPOLL_CLOEXEC)
        return EINVAL;
    error = ep_alloc(&ep);
    if (error < 0)
        return error;
    // ... 初始化 eventpoll 结构体 ...
    return ep>fd;
}

3、epoll_ctl()：用于添加、修改或删除 epoll 事件。

SYSCALL_DEFINE4(epoll_ctl, int epfd, int op, int fd, struct epoll_event __user *event)
{
    struct eventpoll *ep;
    struct epitem *item;
    struct epoll_filefd ffd;
    struct epoll_event new_event;
    int err;
    ep = &eventpoll_table[epfd];
    spin_lock(&ep>lock);
    item = ep_find(ep, fd);
    switch (op) {
        case EPOLL_CTL_ADD:
            if (item) {
                err = EEXIST;
                break;
            }
            // ... 添加事件逻辑 ...
            break;
        case EPOLL_CTL_MOD:
            if (!item) {
                err = ENOENT;
                break;
            }
            // ... 修改事件逻辑 ...
            break;
        case EPOLL_CTL_DEL:
            if (!item) {
                err = ENOENT;
                break;
            }
            // ... 删除事件逻辑 ...
            break;
        default:
            err = EINVAL;
            break;
    }
    spin_unlock(&ep>lock);
    return err;
}

4、epoll_wait()：等待事件发生。

SYSCALL_DEFINE4(epoll_wait, int epfd, struct epoll_event __user *events, int maxevents, long timeout)
{
    struct eventpoll *ep;
    struct epoll_event __user *ev;
    int event_count = 0;
    unsigned long long now = 0;
    unsigned long long deadline = 0;
    // ... 初始化和检查参数 ...
    ep = &eventpoll_table[epfd];
    for (;;) {
        // ... 等待事件逻辑 ...
        if (event_count >= maxevents) {
            retval = event_count;
            break;
        }
        // ... 处理超时 ...
        if (deadline != 0 && now >= deadline) {
            retval = event_count;
            break;
        }
        // ... 处理事件 ...
        ev = events + event_count;
        if (item && item>active) {
            // ... 处理事件并更新状态 ...
            event_count++;
        } else {
            __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
            schedule(); // 调度其他任务
            set_current_state(TASK_RUNNING);
        }
        // ... 更新时间 ...
    }
    return retval;
}

epoll 通过高效的数据结构和算法，实现了高效的 I/O 多路复用，其主要数据结构包括eventpoll、epitem 和eppoll_entry，关键函数包括epoll_create()、epoll_create1()、epoll_ctl() 和epoll_wait()，这些函数共同协作，使得 epoll 能够在处理大量文件描述符时保持高效性能。

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