别再纠结 select 和 poll 了！epoll 才是 I/O 复用的顶流担当！

一口Linux

前言:
见过 select 和 poll，是时候见识下 epoll 的威力了！
还记得咱们之前聊的 select 和 poll 吗？每次要监听一堆连接时，它们会一遍一遍地“挨个问”：“有事没？有事没？” 这种方式效率低得让人心累。再多来点请求，服务器分分钟就要瘫了！
今天，我们要隆重介绍 epoll — 这个 Linux I/O 多路复用机制的“王者”！它是如何做到让 CPU 轻松高效处理成千上万连接的？只需简单几步，让需要响应的连接自己“找上门来”，而其他不活跃的连接安安静静“打酱油”去吧。是不是听着就很酷？今天我们就来揭开 epoll 的神秘面纱，让你彻底掌握它。
1、什么是 epoll？省时省力的 I/O 管家说到 epoll，它的聪明之处就在于不再去主动找那些“沉默”的连接，而是设置好监听条件，只有符合条件的连接“自己来找你”！这就像你是公司客服，不用总去问每个客户“有什么问题吗”，而是让有问题的客户来找你，省时省力。
2、为什么 epoll 比 select 和 poll 更强？1. 事件驱动，省时省力：epoll 使用事件通知机制，只有真的有事件的连接才触发通知，这就大大节省了资源。
2. 支持大规模连接：select 和 poll 在处理大量连接时效率会下降，并且 select 有文件描述符数量的限制。但 epoll 没有！哪怕几千上万个连接，它照样轻松应对。
3. 支持水平触发和边缘触发：水平触发（Level Triggered）类似“待办事项”一直显示，直到处理完毕；而边缘触发（Edge Triggered）更高效，只在状态变化时通知一次，非常适合高性能场景。
3、epoll 的三步走：创建、登记、等待事件为了说明 epoll 是如何高效管理大量客户端连接，我们可以把它想象成一个 VIP 俱乐部。在这个俱乐部里，每位 VIP 客户只有在需要时才会联系俱乐部，而我们只处理这些有需求的客户。epoll 就是这个俱乐部的管理系统，通过特定的数据结构来高效管理和响应每位 VIP 客户的请求（这里的 VIP 客户可以类比成网络客户端）。
3.1 第一步：创建 epoll 对象 —— 开设 VIP 俱乐部首先，我们需要创建一个 VIP 俱乐部，把所有 VIP 客户集中管理起来。这一步在代码中通过 epoll_create 函数实现：
int epoll_fd = epoll_create();
这里的 epoll_fd 是 VIP 俱乐部的“钥匙”，有了它，我们就可以管理俱乐部中的所有 VIP 客户(即：客户端的连接 fd)。
图解：VIP 俱乐部刚成立，还没有客户加入，等待后续登记。
红黑树结构：VIP名单
              VIP 俱乐部 (epoll_fd)
                    |
                    |
                    |
       +------------+-------------+
       |                          |
   [暂无客户]                 [暂无客户]
epoll 使用的数据结构：红黑树
在系统内核中，epoll 使用 红黑树 来存储所有 VIP 客户的“身份信息”（即客户端连接的文件描述符 fd）。红黑树就像俱乐部的 VIP 名单，主要有以下特点：

自平衡、节点有序：红黑树是一种自平衡二叉树，确保 VIP 名单（fd 列表）始终保持有序，方便快速查找。

操作高效：红黑树的增、删、查操作的时间复杂度为 O(log N)，即使面对成百上千的 VIP 客户（fd），也能迅速找到或更新信息。[/ol]类比：当一个新客户加入俱乐部时，他们的“身份信息”（fd）会按照规则被加入到红黑树中，方便随时快速查找和处理。就像 VIP 名单按顺序排列，每次新增或删除客户时，名单会自动调整，确保查询效率始终保持高效。
这样通过创建一个 epoll 对象，我们就相当于开设了 VIP 俱乐部，并准备好随时接纳和管理更多 VIP 客户（即客户端连接）。
3.2 第二步：登记 VIP 客户 —— 添加客户并设定监听事件俱乐部建立好后，接下来我们要“登记”每位 VIP 客户的信息（即文件描述符 fd），并设定他们的“需求”。这一步通过 epoll_ctl 函数来完成：
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;        // 设置监听“有新请求”事件
ev.data.fd = sock_fd;       // 客户的文件描述符
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ev);
这段代码的作用是把 VIP 客户的信息和需求注册到 epoll 系统中，就像给 VIP 客户设定了一个“叫号规则”。
可以把这一步理解为给每个 VIP 客户设置了“有事叫我”的规则。

比如，VIP 客户 sock_fd 设置的是“当有新请求时叫我”。也就是说，每位 VIP 客户在俱乐部设定了一个规则：“有需求时叫我一声。”

当 VIP 客户真的有新请求（比如网络上有数据到达）时，系统就会根据这个规则提醒我们去处理这个客户的请求。这样一来，epoll 可以高效地管理所有 VIP 客户，不需要每次去问每个客户“有什么需求吗”，而是等着他们自己“叫号”，大大节省了系统资源。
epoll 使用红黑树管理 VIP 客户信息：
在 epoll 内部，红黑树被用来管理所有 VIP 客户的信息。这里的每一个 VIP 客户（即每一个客户端文件描述符 fd）都会成为红黑树中的一个节点。
随着客户的逐渐登记，红黑树会逐渐填满 VIP 客户的节点。每个节点代表一个客户端连接fd。
图解：
                      [ 客户10 (fd10, 黑) ]
                       /                  \
          [ 客户5 (fd5, 红) ]           [ 客户15 (fd15, 黑) ]
                 /           \                          \
     [ 客户3 (fd3, 黑) ]   [ 客户7 (fd7, 黑) ]     [ 客户18 (fd18, 红) ]
// 红黑树特点说明：红黑树的节点不是黑色就是红色，根节点是黑色，且红色节点的子节点必须是黑色。
红黑树的关键作用:

高效管理客户信息：红黑树可以快速找到每个客户的位置，新增、查找、删除 VIP 客户的效率都很高。

自动平衡：红黑树有自动平衡的机制，不会因为 VIP 客户多了而影响查询效率。小结：
通过“叫号规则”的设置，epoll 可以高效地管理大量 VIP 客户，在有需求时迅速找到对应的客户，不浪费资源。而红黑树为 epoll 提供了一个有序、平衡的管理系统，即使 VIP 客户再多，也能保持高效的注册和查找。
3.3 第三步：等待事件触发 —— 集中处理 VIP 客户(客户端fd)的请求当所有 VIP 客户都登记好之后，epoll 就进入了“待命模式”，它会专注于那些“真的有事”的 VIP 客户，其他客户保持静默就不用理会。这个等待事件触发的过程通过 epoll_wait 完成：
struct epoll_event events[10];          // 用来存储触发事件的客户
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);  // 等待事件
for (int i = 0; i if (events.events & EPOLLIN) {
        // 处理客户的请求
    }
}
类比：智能秘书模式
可以把 epoll_wait 理解为 epoll 的“智能秘书”， 只会通知我们那些“有需求”的 VIP 客户。每当调用 epoll_wait，它会检查所有已登记的 VIP 客户，并把有事件的客户集中放在 events 数组里，返回给我们。这样一来，我们只需处理这些真正有需求的 VIP 客户，其他静默的客户则可以忽略，省时省力。
epoll 采用的另一个数据结构：双向链表
在内核中，epoll 会把所有“发出请求”的 VIP 客户(真正有数据到来的客户端fd)从红黑树移到双向链表中。双向链表中只存储那些有数据到来的客户端 fd，这样 epoll_wait 能一次性返回所有“有数据到来”的客户端fd，进一步提高效率。
图解：双向链表专门存储有需求的 VIP 客户
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|           双向链表 (只包含有需求的客户)                                                                                   |
|                                                                                                            |
|   [ 客户5 (fd5) ]  [ 客户10 (fd10) ]  [ 客户18 (fd18) ]   |
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红黑树 + 双向链表：epoll 的高效组合

红黑树：负责管理所有 VIP 客户的注册信息，确保增删查的效率。

双向链表：只存放那些已触发事件的客户，保证我们只需集中处理“有需求”的客户。这种红黑树和双向链表的组合，让 epoll 能高效筛选出有请求的 VIP 客户，把系统资源集中在真正有需求的连接上，大大提高了性能。epoll_wait 就像 epoll贴心的“智能秘书”，只提醒我们需要处理的 VIP 客户，保证我们高效完成所有请求。
让我们再来看一个图，这张图可以帮助我们更直观地理解整个 epoll 三步走的过程：