3、NIO 内核版实现原理

要理解 Epoll 内核级别的原理，进程的组成结构，Socket 的组成结构，Epoll 对象的组成结构以及三者之间的关联是必须要理解的。

1、进程结构

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在 linux 中，进程结构大致分为几个模块：

1. 进程模块：用于描述进程的数据结构，也被称为进程描述符或进程控制块（PCB）。它包含了进程所需的所有信息，如进程标识符（PID）、父进程标识符（PPID）、进程状态、优先级、地址空间、打开的文件描述符等
2. 文件模块：用于描述进程打开文件的数据结构。每个进程都有一个唯一的 file_struct 结构体，用于记录该进程打开的所有文件及其文件描述符的使用情况
3. 文件描述符模块：用于描述进程文件描述符表的数据结构。它包含了进程打开的文件描述符的具体信息，如文件描述符的数量、指向打开文件的指针等。以位图（bitmap）来管理文件描述符的使用情况，以高效地查找和分配空闲的文件描述符

可以这样理解进程与文件描述符之间的关系：

Linux 中一切皆文件，比如说当前进程对应的代码中创建了一个 Socket 对象，那么最终 socket 对象就会被记录在 fdtable 中，又比如说代码中创建了一个 file 对象，那这个 file 对象信息最终也会被记录在 fdtable 中

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2、Socket 对象结构

socket 对象的创建整体分为四步：

1. 初始化 socket 对象
2. 为 socket 对象申请 file
3. 接收连接（在这一步中会执行 tcp 的三次握手机制）
4. 添加至进程的打开文件描述符中

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2.1、初始化 socket 对象

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Socket 对象分为三个部分：

• file 指针：指向的是 socket 的文件描述符，在初始化阶段并不会被赋值
• sk 指针：socket 的核心内核对象。发送队列、接收队列、等待队列等核心数据结构都位于此，在初始化阶段并不会被赋值
• ops 指针：指向的是 Socket 对象对应的协议栈操作函数，为固定的 4 个函数：accept，sendmsg，recvmsg，poll

初始化 socket 对象主要分为两个步骤：

1. 申请一个内存空间且创建 socket 对象
2. 赋值协议栈操作函数，固定为 4 个函数：accept，sendmsg，recvmsg，poll

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2.2、申请 file 对象

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申请 file 对象主要步骤：

1. 创建文件描述符对象：Socket 对象中的 file 属性指向这个对象；文件描述符对象中的 data 指向 Socket 对象；进程的文件描述符模块存储这个对象的内存地址
2. 初始化文件描述符对象：f_op 属性赋值为 Socket 文件操作函数

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2.3、接收连接

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接收连接过程比较复杂：

1. 创建 Sock 对象，其中会初始化 sk_prot，sk_receive_queue 接收队列，发送队列 sk_write_queue，等待队列 sk_wq 等
2. 执行三次握手机制

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2.4、添加至进程打开文件列表中

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加入到文件打开列表中其实就是在文件打开列表的 bitmap 中的某个元素中添加 文件描述符对象的内存地址。执行完这个步骤之后，那么通过进程就可以找到对应的 socket 对象了。

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3、Epoll_create 创建 Epoll 对象

理解 Epoll 其实就是理解三个函数：

1. epoll_create：创建 Epoll 对象，在 Linux 中会创建一个 eventPoll 对象
2. epoll_ctl: ①、创建 epitem 对象；②、构建对象存入到 socket 等待队列；③、将 epitem 对象存入到红黑树
3. epoll_wait：①、判断 rdllist 中是否存在 epitem 对象；②、不存在就构建等待对象（回调函数和用户进程）存入到 Epoll 对象的等待队列中；③、阻塞用户进程

EventPoll 对象数据结构：

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三个属性含义：

• 等待队列：应用程序调用 selector.select 函数之后会被阻塞住，最终这个用户进程就会被放入到等待队列中
• 就绪描述符队列：对端发出事件之后，最终对端对应的 socket 对象会被存入到就绪描述符队列中
• 红黑树对象：来一个连接就把这个 socket 连接封装成 epitem 对象存入到红黑树中

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4、Epoll_ctl 注册 socket

4.1、函数定义

int epoll_ctl(int epfd , int op , int fd , struct epoll_event * event )

• epfd：Epoll 对象的文件描述是

• op：具体的操作

  EPOLL_CTL_ADD：在 epoll 的监视列表中添加一个文件描述符（即参数 fd），指定监视的事件类型（参数 event）。
  EPOLL_CTL_MOD：修改监视列表中已经存在的描述符（即参数 fd），修改其监视的事件类型（参数 event）。
  EPOLL_CTL_DEL：将某监视列表中已经存在的描述符（即参数 fd）删除，参数 event 传 NULL

• fd：需要添加，修改，删除的套接字。在 NIO 的例子中代表的就是对端的 socket 对象

• event：Epoll 对象监听的事件信息，比如说连接，读取，写入等

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4.2、Epoll_ctl 内核原理

epoll_ctl 主要分为三个步骤：

• 分配一个红黑树节点对象 epitem
• 添加一个对象到 socket 等待队列中，这个对象分为两个部分：①、回调函数：ep_poll_callback；②、base 指针：指向 epitem
• 将 epitem 插入到红黑树中

4.2.1、构建 epitem

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4.2.2、构建对象加入等待队列

构建一个对象，这个对象包含两个部分：

• 回调函数：ep_poll_callback
• base 指针：指向 epitem 对象

构建好这个对象之后，存储到 socket 等待队列中

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🧐🧐🧐 在这边存在一个非常重要的点，在很长的一段时间之内自己都搞不清楚。在 Java 程序中：

​​serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)​ ​ 底层会调用 epoll_ctl 函数。最终就会创建出一个 epitem 对象，最终会被存入到 socket 的等待队列和红黑树中。假设现在还是相同的 socket 和 Epoll 对象，只是关注的事件不同：​serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)​ ​ 底层调用 epoll_ctl 函数的时候，是会新创建出一个 epitem 对象并且存入到 socket 等待队列和红黑树中的，即只要关注的事件不同，那么就是一个新的 epitem 对象。

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4.2.3、插入红黑树

将创建出来的 epitem 对象存入到红黑树中

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5、Epoll_wait

epoll_wait 内核原理：

1. 判断 rdllist 中是否存在需要处理的事件信息，存在就唤醒用户线程并且执行；若不存在则执行第二步
2. 构建等待对象（由回调函数：default_wake_function 和用户进程组成）
3. 将等待对象加入到 Epoll 的等待队列中
4. 阻塞用户线程

执行完 Epoll_wait 函数之后，epoll 对象具体信息为：

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6、数据来临

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在描述下面理论之前需先知道一个点：数据过来肯定是通过 socket 发送过来的，Linux 内核能够知道两个点：

1. 对应的 socket 对象
2. 事件类型，比如说现在过来的是连接事件，读取事件还是写入事件等

最终会进入到 tcp 协议栈的入口函数 tcp_v4_rcv，这个函数会去 socket 对象的等待队列中找到对应事件的等待对象，然后调用起 fun 指针指向的回调函数：ep_poll_callback。这个函数存在两个步骤：

1. 把当前等待对象的 base 指针对应的 epitem 对象存储到 Epoll 对象的就绪队列（rdllist）中
2. 调用 epoll 对象等待队列中等待对象的 fun 指向的回调函数：default_wake_function 去唤醒等待对象 private 指针指向的用户线程

用户线程被唤醒之后就是程序员自己的事情了，可以按照事件类型执行不同的逻辑。

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7、整体例子

1. 服务端启动，执行 Selector.open()​ 底层会调用 epoll_create 函数去创建 Event_Poll 对象，Epoll 对象结构如下图所示

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2. Java 程序继续执行：serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)​ 这个函数底层是不会调用 epoll_ctl 函数的，最终会把事件信息存储在 EpollArrayWrapper 的成员变量 eventsLow 和 eventsHigh 中，Channel 信息存储在 pollWrapper 数组中，在调用 epoll_ctl 函数的时候会从这些数据结构中获取出事件信息和 socket 信息（通过 Channel 能得到 socket 对象）进行操作

3. 接下去执行 select 函数，底层会调用 epoll_ctl 函数和 epoll_wait 函数，epoll_ctl 底层会执行三个步骤：

   • 分配一个红黑树节点对象 epitem
   • 添加一个对象到 socket 等待队列中，这个对象分为两个部分：①、回调函数：ep_poll_callback；②、base 指针：指向 epitem
   • 将 epitem 插入到红黑树中

   执行完这个函数之后，结构图为：

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4. 继续执行 epoll_wait 函数，这个函数主要的过程为：

   1. 判断 rdllist 中是否存在需要处理的事件信息，存在就唤醒用户线程并且执行；若不存在则执行第二步
   2. 构建等待对象（由回调函数：default_wake_function 和服务器端主线程组成）
   3. 将等待对象加入到 Epoll 的等待队列中
   4. 阻塞用户线程，最终服务器端的主线程会被阻塞

   执行完成之后，内存结构图为：

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5. 一段时间之后，客户端执行了 socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port))​ 函数，最终内核会调用到 sock_def_readable 函数，在这个函数中会去对应的 socket 对象的等待队列中找 连接事件 对应的等待队列对象，然后调用这个等待队列对象的回调函数：ep_poll_callback，在这个函数中会去把 base 指针指向的 epitem 对象存入到 Epoll 对象的就绪队列中并且执行 Epoll 对象等待对象中的回调函数：default_wake_function，这个函数会去唤醒 private 指针对应的用户进程，即服务器端的主线程并且将 epitem 对象返回给主线程

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6. 虽然返回给主线程的是 epitem 对象，但最终会被数据结构转换，最终服务器端主线程得到的是 selectionKey 对象，此时就能根据类型做不同的逻辑，在当前的 epitem 中 event 属性是连接事件，那么就取出这个事件类型，然后做不同的逻辑。

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