简单理解redis epoll运行原理

文章目录

I/O模型：
- BlockingIO（BIO）
- Non-blocking I/O(NIO)
redis epoll
- 为什么epoll快？
- 就绪链表怎么维护？

redis 是一个单线程却性能非常好的内存数据库，主要用来作为缓存系统。 redis 采用 网络IO多路复用技术来保证在多连接的时候，提高系统的高吞吐量。
Redis 是跑在单线程中的，所有的操作都是按照顺序线性执行的，但是由于读写操作等待用户输入或输出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情况下往往不能直接返回，这会导致某一文件的 I/O 阻塞导致整个进程无法对其它客户提供服务，而 I/O 多路复用就是为了解决这个问题而出现的。
下边就聊一聊网络IO模型：

I/O模型：

当客户端和服务端之间交互的时候，会在内核空间形成一个socket，通过socket来进行交互，可以把socket理解为一个文件。内核会给socket生成一个类似资源的句柄FD（文件描述符），调用底层api传入fd来进行读写。

BlockingIO（BIO）

同步并阻塞（传统阻塞型IO），当用户线程发起一个IO请求操作，内核会去查看要读取的数据是否就绪，对于阻塞IO来说，如果数据没有就绪，则会一直在那等待，直到数据就绪；当数据就绪之后，便将数据拷贝到用户线程，这样才完成了一个完整的IO读请求操作。
服务器实现模式为一个连接一个线程，就是客户端发送连接请求时候，服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销，比如socket阻塞在 accept 等待连接。BIO可以通过多线程的方式来改善并发性能，不过底层还是一个线程对应一个连接。
如下图：一个连接过来再内核中就会创建个线程，通过fd文件描述符来进行读写。

Non-blocking I/O(NIO)

同步非阻塞的I/O模型，当用户线程发起一个IO请求操作，内核会去查看要读取的数据是否就绪，对于非阻塞IO来说，如果数据没有就绪，则会返回一个标志信息告知用户线程当前要读的数据没有就绪。当数据就绪之后，便将数据拷贝到用户线程，这样才完成了一个完整的IO读请求操作。
NIO也是epoll的基础，服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），就是客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮训到连接有I/O请求就进行处理。
缺点：每次调用都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，用户态和内核态切换，fd数据不断传递，这个开销很多时会很大

redis epoll

为了解决nio中用户态和内核态切换，fd数据不断传递问题，epoll采用了内存映射mmap，共享空间来解决。
共享空间里创建的红黑树保存所有socket fd，没有大小限制，且增删查的复杂度O(logN)，创建双线链表存储就绪事件，时间复杂度O(1)。

为什么epoll快？

这是由于我们在调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在共享空间里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个链表，用于存储准备就绪的事件，当epoll_wait调用时，仅仅观察这个链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以非常高效。

就绪链表怎么维护？

当我们执行epoll_ctl时，除了把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。（注：好好理解这句话！）
从上面这句可以看出，epoll的基础就是回调呀！

如此，一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核共享空间，就帮我们解决了大并发下的socket处理问题。

执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表，

执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据。

执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。

epoll_create：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
epollctl：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
epollwait：获取epfd上的io事件