一、背景
如果你看过 Android Looper.cpp 的代码，相信应该见过 eventfd 和 epoll 这两个陌生的函数。
# \system\core\libutils\Looper.cpp（Android 8.0 源码）
Looper::Looper(bool allowNonCallbacks) :
mAllowNonCallbacks(allowNonCallbacks), mSendingMessage(false),
mPolling(false), mEpollFd(-1), mEpollRebuildRequired(false),
mNextRequestSeq(0), mResponseIndex(0), mNextMessageUptime(LLONG_MAX) {
// 创建 eventfd 的句柄，返回该文件（Linux 中一切皆为文件）读写的描述符
mWakeEventFd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mWakeEventFd < 0, "Could not make wake event fd: %s",
strerror(errno));
AutoMutex _l(mLock);
rebuildEpollLocked();
}
void Looper::rebuildEpollLocked() {
......
// 创建一个 epoll 的句柄，EPOLL_SIZE_HINT 是指监听的描述符个数
// 现在内核支持动态扩展，该值的意义仅仅是初次分配的 fd 个数，后面空间不够时会动态扩容。
// 当创建完 epoll 句柄后，占用一个 fd 值.
mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);
struct epoll_event eventItem;
memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event)); // zero out unused members of data field union
eventItem.events = EPOLLIN;
eventItem.data.fd = mWakeEventFd;
// 对 mWakeEventFd 文件描述符进行注册，这样 mEpollFd 就能监听到 mWakeEventFd 的读写事件。
int result = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, mWakeEventFd, & eventItem);
......
}
int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
ALOGD("%p ~ pollOnce - waiting: timeoutMillis=%d", this, timeoutMillis);
#endif
......
struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];
// 等待 mEpollFd 上的 IO 事件
int eventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS, timeoutMillis);
......
}
如果你对 eventfd 还不怎么了解，可以先看下这篇文章：通过实例来理解 eventfd 函数机制。
如果你对 epoll 也不怎么了解，可以先看下这篇文章：聊聊 Linux 五种 IO 模型。
之所以写这篇文章，主要是想看下 eventfd 的非阻塞模式在 epoll 中是怎么个表现形式，查了不少文章都没有说清楚，所以才想模拟 Looper.cpp 中的用法，看下究竟到底是怎么样的。
二、eventfd 和 epoll 的结合
这里以 Android 8.0 源码 Looper.cpp 作为参考，它的 write 操作时在 wake 函数中实现的：
void Looper::wake() {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
ALOGD("%p ~ wake", this);
#endif
uint64_t inc = 1;
ssize_t nWrite = TEMP_FAILURE_RETRY(write(mWakeEventFd, &inc, sizeof(uint64_t)));
......
}
它的 read 操作时在 awoken 函数中实现的：
void Looper::awoken() {
#if DEBUG_POLL_AND_WAKE
ALOGD("%p ~ awoken", this);
#endif
uint64_t counter;
TEMP_FAILURE_RETRY(read(mWakeEventFd, &counter, sizeof(uint64_t)));
}
所以，用下面的代码进行模拟：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/eventfd.h>
#include <sys/epoll.h>
int event_fd = -1;
void *read_thread(void *dummy)
{
uint64_t inc = 1;
int ret = 0;
int i = 0;
for (; i < 2; i++) {
ret = write(event_fd, &inc, sizeof(uint64_t));
if (ret < 0) {
perror("child thread write event_fd fail.");
} else {
printf("child thread completed write %llu (0x%llx) to event_fd\n", (unsigned long long) inc, (unsigned long long) inc);
}
sleep(4);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret = 0;
pthread_t pid = 0;
event_fd = eventfd(0, EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC);
if (event_fd < 0) {
perror("event_fd create fail.");
}
ret = pthread_create(&pid, NULL, read_thread, NULL);
if (ret < 0) {
perror("pthread create fail.");
}
uint64_t counter;
int epoll_fd = -1;
struct epoll_event events[16];
if (event_fd < 0)
{
printf("event_fd not inited.\n");
}
epoll_fd = epoll_create(8);
if (epoll_fd < 0)
{
perror("epoll_create fail:");
}
struct epoll_event read_event;
read_event.events = EPOLLIN;
read_event.data.fd = event_fd;
ret = epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, event_fd, &read_event);
if (ret < 0) {
perror("epoll_ctl failed:");
}
while (1) {
printf("main thread epoll is waiting......\n");
ret = epoll_wait(epoll_fd, events, 16, 2000);
printf("main thread epoll_wait return ret : %d\n", ret);
if (ret > 0) {
int i = 0;
for (; i < ret; i++) {
int fd = events[i].data.fd;
if (fd == event_fd) {
uint32_t epollEvents = events[i].events;
if (epollEvents & EPOLLIN) {
ret = read(event_fd, &counter, sizeof(uint64_t));
if (ret < 0) {
printf("main thread read fail\n");
} else {
printf("main thread read %llu (0x%llx) from event_fd\n", (unsigned long long) counter, (unsigned long long) counter);
}
} else {
printf("main thread unexpected epoll events on event_fd\n");
}
}
}
} else if (ret == 0) {
printf("main thread epoll_wait timed out. continue epoll\n");
} else {
perror("main thread epoll_wait error.");
}
}
}
按照 Looper.cpp 源码，设置 eventfd 的计数器初始值为 0 且 flags 为 EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC。执行实例代码，结果如下（为了方便分析，让每一次写完阻塞 4 秒，epoll_wait 的超时时间为 2 秒）：
wufan@Frank-Linux:~/Linux/test$ ./epoll_eventfd main thread epoll is waiting...... // main 线程阻塞在读端 child thread completed write 1 (0x1) to event_fd // 第一次写入后阻塞 4 秒 main thread epoll_wait return ret : 1 // 第一次写完后，立即唤醒 main 线程去进行读操作 main thread read 1 (0x1) from event_fd // main 线程读到了数据 main thread epoll is waiting...... // main 线程阻塞又在读端，超时时间为 2 秒 main thread epoll_wait return ret : 0 // main 线程阻塞等待时间到，返回 main thread epoll_wait timed out. continue epoll main thread epoll is waiting...... // main 线程阻塞又在读端，超时时间为 2 秒 child thread completed write 1 (0x1) to event_fd // // 第二次写入后阻塞 4 秒 main thread epoll_wait return ret : 1 // 第二次写完后，立即唤醒 main 线程去进行读操作 main thread read 1 (0x1) from event_fd // main 线程读到了数据 main thread epoll is waiting...... // main 线程阻塞又在读端，超时时间为 2 秒 main thread epoll_wait return ret : 0 // main 线程阻塞等待时间到，返回 main thread epoll_wait timed out. continue epoll main thread epoll is waiting...... // main 线程阻塞又在读端，超时时间为 2 秒 只要没有写入数据，就会在这个死循环中阻塞 -> 超时 -> 阻塞...
在通过实例来理解 eventfd 函数机制中，我们知道了 eventfd 的 EFD_NONBLOCK 模式下，读到计数器的值为 0 后，再继续读，会直接返回一个错误值，不会阻塞。但是上述的例子发现，eventfd 和 epoll 结合使用后，即使我将 flags 设置为 0 和上述执行的结果是一样的。这是为什么？因为按照 Looper.cpp 中的代码逻辑，分别对 epoll_wait 的返回值做了条件判断：
- ret > 0 说明有可读的值，才会去从 eventfd 中去读；
- ret == 0 说明超时，不会从 eventfd 中去读；
- ret < 0 说明 epoll 异常，不会从 eventfd 中去读；
好，那我们改一下代码，当 ret == 0 时，去执行一下 read 操作。同时将 flags 设置为 0：
while (1) {
......
} else if (ret == 0) {
int status = read(event_fd, &counter, sizeof(uint64_t));
printf("main thread epoll_wait timed out. continue epoll : %d\n", status);
} else {
perror("main thread epoll_wait error.");
}
}
wufan@Frank-Linux:~/Linux/test$ ./epoll_eventfd
main thread epoll is waiting......
child thread completed write 1 (0x1) to event_fd
main thread epoll_wait return ret : 1
main thread read 1 (0x1) from event_fd
main thread epoll is waiting......
main thread epoll_wait return ret : 0
child thread completed write 1 (0x1) to event_fd
main thread epoll_wait timed out. continue epoll : 8
main thread epoll is waiting......
main thread epoll_wait return ret : 0
一直阻塞在这儿
将 flags 设置为 EFD_NONBLOCK | EFD_CLOEXEC 时，就不会阻塞了。
三、小结
底层的知识我也不懂，也刚开始学，搜索了半天、看了不少文章，还是很容陷入一种似懂非懂、不确定的状态，可能这些知识对于懂 Linux 编程的人应该很 Easy。因此，特意将这个学习、验证的过程记录下来。
另外，Android Looper.cpp 中给 mWakeEventFd 设置 EFD_NONBLOCK，其实并没有发挥它真正地作用（也是在 epoll_wait 返回值 > 0 时才会去 read 操作）。不过，印象中在某处看到过（建议在创建 eventfd 时设置为非阻塞模式，可能是担心代码出问题了，一旦阻塞住了，出现卡死现象），不过，现在终于算是弄明白了！！！
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