epoll源码剖析

前提：Linux内核源码：linux-2.6.11.12

epoll是一个module，它的底层主要是通过一个文件统“eventpolls”来实现的；epoll的过程是通过三个函数来实现的：epoll_create()、epoll_ctl()、epoll_wait();
相关底层比较重要的结构体有struct eventpoll、struct epitem、struct epollentry、struct __wait_queue；

epoll_create()
epoll_create的底层是通过调用sys_epoll_create，这个系统调用实现的，这里是创建了一个文件系统(eventpoll)，并把里面相关的节点关联起来(task_struct 、struct file_struct 、struct file 、struct dentry、struct inode 、struct eventpoll)；
下面我们来进入到sys_epoll_create这个函数：

asmlinkage long sys_epoll_create(int size)
{
    int error, fd;
    struct inode *inode;
    struct file *file;

    DNPRINTK(3, (KERN_INFO "[%p] eventpoll: sys_epoll_create(%d)\n",
             current, size));

    /* Sanity check on the size parameter */
    error = -EINVAL;
    if (size <= 0)
        goto eexit_1;

    /*
     * Creates all the items needed to setup an eventpoll file. That is,
     * a file structure, and inode and a free file descriptor.
     */
    error = ep_getfd(&fd, &inode, &file);
    if (error)
        goto eexit_1;

    /* Setup the file internal data structure ( "struct eventpoll" ) */
    error = ep_file_init(file);
    if (error)
        goto eexit_2;


    DNPRINTK(3, (KERN_INFO "[%p] eventpoll: sys_epoll_create(%d) = %d\n",
             current, size, fd));

    return fd;

eexit_2:
    sys_close(fd);
eexit_1:
    DNPRINTK(3, (KERN_INFO "[%p] eventpoll: sys_epoll_create(%d) = %d\n",
             current, size, error));
    return error;
}

<1>首先进入函数我们是进行了一系列的参数检查；
<2>接下来，ep_getfd(&fd, &inode, &file)，这个函数它主要的作用是分配了fd,inode,file；节选ep_getfd中的重要函数：

file = get_empty_filp();/*pipefs文件系统中的管道分配一个索引节点    对象并对其进行初始化。*/
inode = ep_eventpoll_inode();//获取一个inode节点并对其进行初始化
error = get_unused_fd();//查找一个文件描述符
dentry = d_alloc(eventpoll_mnt->mnt_sb->s_root, &this);//分配一个struct dentry结构；
d_add(dentry, inode);//让struct dentry结构中的inode*指针指向inode节点；
fd_install(fd, file);//让files_struct里面的fd对应的下标为fd的成员指向file节点；

<3>函数ep_file_init(file)，是分配和初始化了一个eventpoll节点，最后让file结构中的private_data指向这个eventpoll，让他们链接起来；

epoll_ctl()
epoll_ctl的底层实现是通过sys_epoll_ctl，它的作用主要是添加新的描述符，或者删除描述符，或者修改描述符所关心的事件；
这个系统调用实现的；以下为sys_poll_ctl中节选部分：

asmlinkage long   sys_epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,               struct epoll_event __user *event)
{
file = fget(epfd);//通过epfd找到对应的文件对象的地址；
tfile = fget(fd);//通过fd找到对应的文件对象的地址；
ep = file->private_data;//获取file指向的eventpoll；
epi = ep_find(ep, tfile, fd);//在红黑树中查找有没有一个节点中的ffd中保存着tfile和fd，找到返回ffd所对应的epi，如果没有找到，就返回NULL；
switch (op) {
    case EPOLL_CTL_ADD://添加
            error = ep_insert(ep, &epds, tfile, fd);break;
    case EPOLL_CTL_DEL://删除
            error = ep_remove(ep, epi);break;
    case EPOLL_CTL_MOD://修改关心的事件
            error = ep_modify(ep, epi, &epds);break;
    }
}

其中比较重要的函数为ep_insert，那么我们就分析一下ep_insert：

struct epitem *epi;
init_poll_funcptr(&epq.pt, ep_ptable_queue_proc);
revents = tfile->f_op->poll(tfile, &epq.pt);//执行回调函数ep_ptable_queue_proc；
ep_rbtree_insert(ep, epi);//添加当前的文件到红黑树中；

ep_ptable_queue_proc()回调函数的作用：这个函数是在f_op->poll时被调用，该函数分配一个等待队列节点epoll_entry，它的作用是：1、把它挂载到文件系统的等待队列中；2、把它挂到epitem等待队列中；3、它还注册了一个等待队列的回调函数；
ep_poll_callback()，回调函数ep_poll_callback函数的作用：当文件操作完成，唤醒当前进程之前，会调用ep_poll_callback，把eventpoll放到epitem的完成队列中；

epoll_wait()
epoll_wait的底层实现是系统调用sys_epoll_wait，它的作用主要是等待文件操作完成并返回；
它的主体是ep_poll，该函数在for循环中，检查epitem上有没有事件就绪，如果有那么就返回，如果没有就调用schedule_timeout进入休眠，知道进程被再次唤醒；

asmlinkage long sys_epoll_wait(int epfd, struct epoll_event __user *events,
                   int maxevents, int timeout)
{
    error = ep_poll(ep, events, maxevents, timeout);
}

static int ep_poll(struct eventpoll *ep, struct epoll_event __user *events,
           int maxevents, long timeout)
{
    for (;;) {
        if (!list_empty(&ep->rdllist) || !jtimeout)
                break;
        jtimeout = schedule_timeout(jtimeout);
    }
}

epoll性能优点：
epoll机制是通过select/poll的缺陷设计的，epoll是通过一个eventpolls文件系统，将为每个用户生成的fd直接拷贝到内核，不像select每次都得重新拷贝用户的描述符到内核；通过把操作拆分成epoll_create，epoll_ctl，epoll_wait三个函数来实现，避免了这个重复拷贝的过程；我们为每一个描述符所对应的等待队列节点，都设置了回调函数，只要有事件发生，那么由驱动程序去给我调用这个回调函数，将产生就绪事件的节点插入到rdlist，就绪事件链表中，这样的话，我们就可以以O(1)的方式，直接找到就绪事件，并返回给用户；