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🔥 Linux epoll 系统调用详解
一、epoll 是干什么的？
epoll 是 Linux 内核从 2.5.44 版本开始引入的高性能 I/O 多路复用（I/O Multiplexing） 机制，专为解决 select 和 poll 在处理大规模并发连接时性能低下的问题而设计。
核心作用： 让一个线程能够高效地监控成千上万个文件描述符（如 socket），仅当有 I/O 事件发生时才通知程序处理，避免轮询和阻塞，实现高并发、低延迟的网络服务。
换句话说，epoll 实现了“一个线程处理数万连接”的能力，是现代高性能服务器（如 Nginx、Redis、Netty、Node.js）的底层基石。
二、为什么需要 epoll？它解决了什么问题？
1. select 和 poll 的致命缺陷
| 问题 | 说明 |
|---|---|
| O(n) 时间复杂度 | 每次调用都要遍历所有监听的 fd，即使只有一个就绪 |
| fd 数量限制 | select 最多支持 1024 个 fd（FD_SETSIZE） |
| 用户态/内核态拷贝开销大 | 每次调用都要复制整个 fd 集合到内核 |
| 事件通知机制低效 | 无法知道具体哪个 fd 就绪，必须全遍历判断 |
2. epoll 的解决方案
✅ O(1) 事件通知：内核维护一个“就绪链表”，只返回真正就绪的 fd。
✅ 无 fd 数量限制：支持数万甚至数十万并发连接。
✅ 减少拷贝开销：通过
epoll_ctl预先注册 fd，后续只传递就绪事件。✅ 支持边缘触发（ET）：减少事件重复通知，提升性能。
三、epoll 的三大核心函数
epoll 由三个系统调用组成，构成“注册 → 等待 → 处理”闭环：
1. epoll_create() —— 创建 epoll 实例
int epoll_create(int size);
功能：在内核中创建一个
epoll实例（事件表），返回其文件描述符。参数：
size：提示内核预期监听的 fd 数量（Linux 2.6.8+ 后已废弃，可设为 1 或更大值）。
返回值：
成功：返回 epoll 文件描述符（
epfd）失败：返回 -1
💡
epoll_create1(0)是更现代的替代，支持额外标志。
2. epoll_ctl() —— 控制 epoll 实例
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
功能：向 epoll 实例注册、修改或删除对某个 fd 的监听。
参数：
epfd：epoll_create返回的 epoll 文件描述符。op：操作类型：EPOLL_CTL_ADD：添加监听EPOLL_CTL_MOD：修改监听事件EPOLL_CTL_DEL：删除监听
fd：要监听的目标文件描述符（如 socket）。event：指向epoll_event结构体的指针。
3. epoll_wait() —— 等待事件发生
int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout);
功能：阻塞等待，直到有注册的 fd 发生事件。
参数：
epfd：epoll 实例的 fd。events：用户提供的数组，用于接收就绪事件。maxevents：数组最大长度（通常 10~100）。timeout：超时时间（毫秒）：-1：永久阻塞0：非阻塞，立即返回>0：最多等待指定毫秒
返回值：
0：就绪的 fd 数量
0：超时
-1：出错
四、核心数据结构
1. struct epoll_event —— 事件结构体
struct epoll_event {uint32_t events; // 事件类型（位掩码）epoll_data_t data; // 用户数据};typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;} epoll_data_t;常用事件类型（events）：
| 事件 | 说明 |
|---|---|
EPOLLIN | 数据可读（socket 有数据、文件可读） |
EPOLLOUT | 数据可写（发送缓冲区有空间） |
EPOLLRDHUP | 对端关闭连接（TCP 半关闭） |
EPOLLPRI | 高优先级数据可读（如带外数据 OOB） |
EPOLLERR | 错误发生（自动监听，无需显式设置） |
EPOLLHUP | 连接挂起（自动监听） |
EPOLLET | 边缘触发模式（Edge Triggered） |
EPOLLONESHOT | 事件只通知一次，需重新注册 |
⚠️
EPOLLERR和EPOLLHUP会自动触发，无需在events中设置。
五、epoll 的两种触发模式
1. 水平触发（Level-Triggered, LT）— 默认模式
行为：只要 fd 处于就绪状态（如缓冲区有数据），
epoll_wait就会持续通知。特点：
安全、简单，适合阻塞或非阻塞 I/O。
若未处理完数据，下次调用仍会通知。
适用场景：大多数通用服务器。
2. 边缘触发（Edge-Triggered, ET）— 高性能模式
行为：仅当 fd 状态从“非就绪”变为“就绪” 时通知一次。
特点：
必须使用非阻塞 I/O，并一次性读/写完所有数据（循环
read/write直到EAGAIN）。避免重复通知，减少系统调用次数。
适用场景：高并发、低延迟服务（如 Nginx）。
✅ 推荐：生产环境使用
EPOLLET+ 非阻塞 socket。
六、epoll 的工作流程（典型用法）
// 1. 创建监听 socketint listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bind(listen_fd, ...);listen(listen_fd, SOMAXCONN);// 2. 创建 epoll 实例int epfd = epoll_create(1);// 3. 将监听 socket 加入 epoll（监听可读）struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];ev.events = EPOLLIN; // 水平触发// ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发（推荐）ev.data.fd = listen_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);// 4. 事件循环while (1) {int nready = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);if (nready == -1) {perror("epoll_wait");break;}for (int i = 0; i < nready; i++) {if (events[i].data.fd == listen_fd) {// 新连接到达int conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);set_nonblocking(conn_fd); // 必须设为非阻塞（ET 模式）ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = conn_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev);}else {// 已连接 socket 有数据可读int fd = events[i].data.fd;char buf[4096];ssize_t n;while ((n = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {// 处理数据...write(fd, buf, n); // echo}if (n == 0 || (n == -1 && errno != EAGAIN)) {// 客户端关闭或出错epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);close(fd);}// 如果是 EAGAIN，说明数据已读完（ET 模式）}}}🔁 关键点：
epoll_wait返回的是就绪事件列表，无需遍历所有 fd。ET 模式必须循环读写直到
EAGAIN/EWOULDBLOCK。连接关闭时需从 epoll 删除并关闭 fd。
七、epoll 的性能优势
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| O(1) 事件通知 | 内核只返回就绪 fd，无需遍历全部 |
| 无 fd 数量限制 | 支持数万并发连接 |
| 减少拷贝开销 | epoll_ctl 预注册，epoll_wait 只传就绪事件 |
| 支持 ET 模式 | 减少事件重复触发，提升吞吐量 |
| 内核事件队列 | 使用红黑树 + 就绪链表，高效管理 fd |
八、epoll vs select/poll 对比
| 特性 | select | poll | epoll |
|---|---|---|---|
| 时间复杂度 | O(n) | O(n) | O(1) |
| fd 数量限制 | 1024 | 无硬限制 | 无硬限制 |
| 内存拷贝 | 每次全拷贝 | 每次全拷贝 | 仅事件返回时拷贝 |
| 触发模式 | LT | LT | LT + ET |
| 平台兼容 | POSIX | POSIX | Linux 专用 |
| 适用场景 | 小并发、跨平台 | 中等并发 | 高并发服务器 |
✅ 结论：Linux 上高并发首选
epoll。
九、典型应用场景
Web 服务器：Nginx、Apache（event 模式）
数据库：Redis、Memcached
消息中间件：Kafka、RabbitMQ
游戏服务器：MMO、实时对战
代理/网关：负载均衡、API 网关
十、总结：epoll 的定位
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 本质 | Linux 高性能 I/O 多路复用机制 |
| 目的 | 单线程高效处理海量并发连接 |
| 核心函数 | epoll_create, epoll_ctl, epoll_wait |
| 核心结构 | epoll_event |
| 触发模式 | LT（默认）、ET（高性能） |
| 适用场景 | 高并发网络服务（>1000 连接） |
| 不适用场景 | 跨平台应用、低并发简单服务 |
| 学习价值 | 掌握现代高性能服务器底层原理 |
📌 一句话总结： epoll 是 Linux I/O 多路复用的王者，它通过事件驱动、O(1) 通知、边缘触发等机制，实现了单线程处理数万并发连接的奇迹，是构建高性能网络服务的核心武器。
🔥 进阶建议：
学习
epoll源码（fs/eventpoll.c）理解红黑树与就绪链表的协同
掌握 ET 模式下的非阻塞编程范式
对比
io_uring（下一代异步 I/O）
掌握 epoll，你就掌握了 Linux 高性能网络编程的“任督二脉”。