Linux下select&poll&epoll的实现原理（一）

最近简单看了一把Linux linux-3.10.25 kernel中select/poll/epoll这个几个IO事件检测API的实现。此处做一些记录。
其基本的原理是相同的，流程如下

1. 先依次调用fd对应的struct file.f_op->poll()方法（如果有提供实现的话），尝试检查每个提供待检测IO的fd是否已经有IO事件就绪
2. 如果已经有IO事件就绪，则直接所收集到的IO事件返回，本次调用结束
3. 如果暂时没有IO事件就绪，则根据所给定的超时参数，选择性地进入等待
4. 如果超时参数指示不等待，则本次调用结束，无IO事件返回
5. 如果超时参数指示等待（等待一段时间或持续等待），则将当前select/poll/epoll的调用任务挂起
6. 当所检测的fd任何一个有新的IO事件发生时，会将上述的处于等待的任务唤醒。任务被唤醒之后，重新执行1中的IO事件收集过程，将此时收集到的IO事件返回，本次的调用过程结束。

可以看出流程并不复杂，本文按照上述流程，先对select/poll的实现做进一步分析，epoll的实现要复杂一些，另外做叙述。

上述比较关键的地方是
1. 起初在无IO事件时，调用任务在被挂起之后，fd上有IO事件发生时，如何将挂起的任务唤醒？

接下来一poll()的实现过程，介绍这一过程的实现原理。
要实现唤醒过程，比较关键的步骤为
　　1) 在上述初次调用 struct file.f_op->poll() 时，除了fd对应的 struct file 指针之外，还需要传入一个 poll_table 类型的指针
　　　　该 poll_table 具体是在 poll() 的实现过程中定义提供的。
　　2) 在各个fd的struct file.f_op->poll()方法中，需要对应调用一下poll_wait()

其中关键
　　struct file.f_op->poll() 方法的作用是既是直接查询fd上的IO事件
　　而 poll_wait() 既是实现根据需要将 poll() 的调用任务，选择性的添加到fd的IO事件等待队列中。

注意此处是“选择性的添加”，为何如此说，得看 poll_wait() 的实现，其是一个inline函数，如下

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
    if (p && p->_qproc && wait_address)
        p->_qproc(filp, wait_address, p);
}

定义在 include/linux/poll.h 中。

可以看出，当调用 struct file.f_op->poll() 时，poll_table 的 _qproc 成员有定义时，poll_wait() 的调用才有实际的效果。
而前面已经说了， “poll_table 具体是在 poll() 的实现过程中定义提供的”，具体是 poll_initwait(&table) 调用对 poll_table 进行初始化的。
再进一步看一下 poll_initwait() 实现，如下

1 void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq)
2 {
3     init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
4     pwq->polling_task = current;
5     pwq->triggered = 0;
6     pwq->error = 0;
7     pwq->table = NULL;
8     pwq->inline_index = 0;
9 }

其中

1 static inline void init_poll_funcptr(poll_table *pt, poll_queue_proc qproc)
2 {
3     pt->_qproc = qproc;
4     pt->_key   = ~0UL; /* all events enabled */
5 }

也就是说初次遍历 poll 给定的诸fd，直至初始收集到IO事件，都会对 __pollwait() 调用一把。
实际上也正是在 __pollwait() 中实现将 poll() 的调用任务添加到 fd 的等待队列中，并且指定了唤醒执行过程中的回调。
在 poll() 的实现中，该回掉函数是 pollwake()，具体有 pollwake() 调用 kernel 的唤醒API（default_wake_function()）将 poll() 的调用任务唤醒。
（由于之前具体是在 poll() 的实现中进行挂起的，所以自然唤醒过程也应该放在 poll() 的实现中了）

上面这些内容是介绍了 poll() 这一侧为等待唤醒，所做的准备工作。接下来看看，当fd上有IO时间就绪时，是如何将那些对自身等待的任务唤醒的。
此处以 eventfd 的实现为例，其实现较为简单，方便叙述。

先简单说一下 eventfd 的特性，其内部维持了一个64位的计数器。当该计数器大于0时，fd上有可读事件；当该计数器值小于 ULLONG_MAX 时，有可写实现
看其实现代码知道，其具体对该计数值更新过程发生在 eventfd_ctx_read() / eventfd_write() 中。
eventfd_ctx_read()操作之后，该内部计数器值减小，结尾如下代码中片段会对的内部 wait_queue 中记录的等待任务进行唤醒操作。

1  if (likely(res == 0)) {
2       eventfd_ctx_do_read(ctx, cnt);
3       if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
4           wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLOUT);
5  }

而在 eventfd_write() 操作完毕后，内部计数器值增大，结尾如下代码片段会对对的内部 wait_queue 中记录的等待任务进行唤醒操作。

1 if (likely(res > 0)) {
2     ctx->count += ucnt;
3     if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
4         wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, POLLIN);
5 }

至此， 完整的唤醒通知过程也就介绍完成了。

select() 实现过程与 poll() 完全一致，不同的待检测的fd和结果事件的返回方式不同而已。poll() 内部是使用链表进行记录，而 select() 是使用的bit位序列进行记录的而已。
详细请看 fs/select.c 中看 poll() 和 select() 的实现代码。

epoll() 的事件检查方式与 poll() / select() 类似，一个明显的差别是各个 fd 是注册到 epoll 内部进行记录管理的，而 poll/ select 需要每次从用户态拷贝到 kernel 中，
且 epoll 内部对 fd 的记录是用rbtree，并且还有自己自己的一些独有的特点，这些内容将在另外的文章中进行描述。本文到此为止

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