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【Linux】从零开始使用多路转接IO --- poll

news 2025/7/13 15:41:52

在这里插入图片描述

碌碌无为，则余生太长；
欲有所为，则人生苦短。
--- 中岛敦 《山月记》---

从零开始使用多路转接IO

  • 1 前言
  • 1 poll接口介绍
  • 3 代码编写
  • 4 总结

1 前言

上一篇文章我们学习了多路转接中的Select，其操作很简单，但有一些缺陷：

  1. 每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合， 从接口使用角度来说也非常不便。
  2. 每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！
  3. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。
  4. select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点

而poll方案可以解决其中的两个缺点：

  • select支持的文件描述符少，poll理论上可以支持无限个文件描述符。
  • select每次调用接口都需要手动设置fd集合，poll不需要！

那么接下来我们就来看poll是怎样实现的。

1 poll接口介绍

首先poll的作用与select一模一样：等待多个文件描述符！只负责等待！

我们来看看poll接口:

OLL(2)                                                                   Linux Programmer's Manual                                                                   POLL(2)NAMEpoll, ppoll - wait for some event on a file descriptorSYNOPSIS#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);#define _GNU_SOURCE         /* See feature_test_macros(7) */#include <signal.h>#include <poll.h>int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,const struct timespec *tmo_p, const sigset_t *sigmask);

poll接口中只有三个参数：

  1. struct pollfd *fds:这时一个文件描述符数组，其中每个元素是一个结构体，其中包含文件描述符，需要处理的事件类型。
  2. nfds_t nfds:表示文件描述符的数量！
  3. timeout:输入性参数，这里直接采用的是毫秒，不使用结构体！等于0时是非阻塞IO，等于-1时是阻塞IO！
  4. 返回值表示是否成功：大于0 即有n个就绪了；等于0表示超时了；小于0就是poll出错了！

我们来看看struct pollfd内部是怎么样的 ：

struct pollfd {int   fd;         /* file descriptor */short events;     /* requested events */short revents;    /* returned events */};

我们对比一下select，select需要传入三个事件集，输入输出性参数，每次都会发生改变！所以才需要每次调用都要进行初始化。而poll使用一个结构体，对于这个文件描述符有两种事件：requested events 与 returned events！输入输出并不互相干扰！那么就解决了select需要不断初始化的问题。

那么事件类型有哪些呢？

宏定义描述
POLLIN普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM同POLLIN
POLLRDBAND数据可读（优先级带数据）
POLLPRI高优先级数据可读
POLLOUT普通数据可写
POLLWRNORM同POLLOUT
POLLWRBAND数据可写（优先级带数据）
POLLERR发生错误
POLLHUP挂起，对方关闭连接
POLLNVAL描述字不是一个打开的文件

这些都是宏定义，short events;是一个16位位图，可以通过宏定义进行匹配设置！我们想要查看哪些事件，或者有哪些事件就绪了，就都可以通过位运算进行判断就可以了！

通过结构体的两个位图：

  1. 用户就可以告诉内核需要帮我们对fd的哪些事件进行等待了
  2. 内核也可以通过位图告诉用户fd的哪些事件就绪了！

3 代码编写

我们仅仅需要对select的代码做出一些修改即可：

首先，poll需要一个struct pollfd数组，这里储存需要处理的fd。初始化事遍历进行将对应fd设置为-1，事件设置为0，将listen套接字加入就可以：

	void Initserver(){// 对数组进行初始化for (int i = 0; i < gnum; i++){fd_array[i].fd = gdefault;fd_array[i].events = 0;fd_array[i].revents = 0;}// 加入监听套接字fd_array[0].fd = _listensock->GetSockfd();fd_array[0].events = POLLIN;}//...// pollstruct pollfd fd_array[gnum];

然后对Loop函数进行修改，我们不在需要对数据遍历更新rfds了，这样代码看起来就整洁了许多！

void Loop(){// 进入服务while (true){// 创建timeoutint timeout = 1000;// 进行selectint n = ::poll(fd_array, gnum, timeout);switch (n){case 0:// 超时LOG(DEBUG, "timeout \n");break;case -1:// 出错了LOG(ERROR, "select error\n");break;default:// 正常LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n);// 处理事件HandlerEvent();PrintDebug();break;}}}

接下来就是HandlerEvent函数，进行判断的策略依然是遍历，这里只关心读事件：

void HandlerEvent(){// 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件for (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i].fd == gdefault)continue;// 如果有新事件if (fd_array[i].revents & POLLIN){// 进行判断是scokfd 还是普通fdif (fd_array[i].fd == _listensock->GetSockfd()){Accepter();}// 普通fd 进行正常读写else{HandlerIO(fd_array[i]);}}}}

然后就是对于普通套接字和监听套接字的处理，针对数组进行稍微修改即可：

void Accepter(){// 连接事件就绪InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞// 这时会得到一个新连接if (sockfd > 0){LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());// 将新获取的fd加入到数组中LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd);bool flag = false;for (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i].fd == gdefault){flag = true;fd_array[i].fd = sockfd;fd_array[i].events = POLLIN;break;}elsecontinue;}if (flag == false){LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n");return;// 可以进行扩容}}}void HandlerIO(struct pollfd &sp){char buffer[1024];int n = ::recv(sp.fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (n > 0){// 读取到了数据buffer[n] = 0;std::string echo_str = "[client say]#";echo_str += buffer;std::cout << echo_str << std::endl;// 返回一个报文std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>";std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";ret_str += "Content-Type: text/html\r\n";ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";ret_str += content;// echo_str += buffer;::send(sp.fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案}else if (n == 0){// 此时fd退出了LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", sp.fd);::close(sp.fd);sp.fd = gdefault;sp.events = 0;sp.revents = 0;}else{LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno);::close(sp.fd);sp.fd = gdefault;}}

来看效果：
在这里插入图片描述
很好的实现了我们的需求！代码也比select更加的简单了！

4 总结

Poll的底层其实也是遍历，对我们传入的数据进行遍历，这样的效率其实比select并不能高出太多！也就是说poll依然有这样的缺点：

  1. 每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！
  2. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。

这样poll 的处境就很尴尬，没有select资历早，适配性不如select。性能又比不过epoll!
下一篇文章我们来学习epoll!

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