I/O多路转接之poll
原创
poll 的功能和 select 非常相似，同样是用集合将一批文件描述符交给内核进行等待，内核再把等待的结果交付给用户。
1. poll接口
接口说明
poll 是由Linux提供的系统调用接口，可使用 man poll 命令查看相关说明。
#include <poll.h>
typedef unsigned long int nfds_t;
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
pollfd
pollfd 是一个结构体，表示了要关注的fd以及其上的事件。
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};
其中 events 和 revents 可能的取值有：
events 和 revents 的取值
POLLIN：有数据可读取。
POLLPRI：文件描述符上存在异常情况。可能的情况包括：
- TCP套接字上存在带外数据（参见tcp(7)）。
- 包模式的伪终端主设备看到从设备状态的变化（参见ioctl_tty(2)）。
- cgroup.events文件已被修改（参见cgroups(7)）。
POLLOUT：可写入数据，但如果写入的数据大小大于套接字或管道中可用空间，仍然会阻塞（除非设置了O_NONBLOCK）。
POLLRDHUP（自Linux 2.6.17起）：流套接字的对等方关闭了连接，或关闭了连接的写半部分。要获得此定义，必须在包含任何头文件之前定义_GNU_SOURCE特性测试宏。
POLLERR：错误条件（仅在revents中返回；在events中被忽略）。当引用管道的写端的文件描述符在读端关闭时，此位也会被设置。
POLLHUP：挂断（仅在revents中返回；在events中被忽略）。请注意，当从管道或流套接字等通道读取时，此事件仅表示对等方关闭了通道的一端。随后从通道读取的数据在消耗完通道中的所有未处理数据后，将返回0（文件末尾）。
POLLNVAL：无效请求：文件描述符未打开（仅在revents中返回；在events中被忽略）。
- 在定义了_XOPEN_SOURCE的情况下，还有以下宏，它们除了列出的位信息外，不提供其他信息：
POLLRDNORM：等效于POLLIN。 POLLRDBAND：可以读取优先级带数据（在Linux上通常不使用）。 POLLWRNORM：等效于POLLOUT。 POLLWRBAND：可以写入优先级数据。
Linux还了解 POLLMSG ，但不使用它。
原文
POLLIN: There is data to read.
POLLPRI: There is some exceptional condition on the file descriptor. Possibilities include:
- There is out-of-band data on a TCP socket (see tcp(7)).
- A pseudoterminal master in packet mode has seen a state change on the slave (see ioctl_tty(2)).
- A cgroup.events file has been modified (see cgroups(7)).
POLLOUT: Writing is now possible, though a write larger than the available space in a socket or pipe will still block (unless O_NONBLOCK is set).
POLLRDHUP (since Linux 2.6.17): Stream socket peer closed connection, or shut down writing half of connection. The _GNU_SOURCE feature test macro must be defined (before including any header files) in order to obtain this definition.
POLLERR: Error condition (only returned in revents; ignored in events). This bit is also set for a file descriptor referring to the write end of a pipe when the read end has been closed.
POLLHUP: Hang up (only returned in revents; ignored in events). Note that when reading from a channel such as a pipe or a stream socket, this event merely indicates that the peer closed its end of the channel. Subsequent reads from the channel will return 0 (end of file) only after all outstanding data in the channel has been consumed.
POLLNVAL: Invalid request: fd not open (only returned in revents; ignored in events).
When compiling with _XOPEN_SOURCE defined, one also has the following, which convey no further information beyond the bits listed above:
POLLRDNORM: Equivalent to POLLIN.
POLLRDBAND: Priority band data can be read (generally unused on Linux).
POLLWRNORM: Equivalent to POLLOUT.
POLLWRBAND: Priority data may be written.
Linux also knows about, but does not use POLLMSG.
2. 接口的使用
接口参数
poll 有三个参数：
参数列表
fds：一个数组，表示要关注的fd以及事件集合。nfds：数组的长度，即遍历时的结束范围。timeout：等待的超时时间，单位为毫秒。设为-1时阻塞等待，设为0时立即返回不阻塞。
fds 是 pollfd 类型的数组，作为输入参数时， pollfd 中设置需要关注的fd，以及将 events 设为该fd上要关注的事件。
示例
比如需要关注4号fd上的 POLLIN 和 POLLPRI 事件，则该pollfd应该被设置为：
fd: 4
events: POLLIN | POLLPRI
revents: 0
如果 poll 成功地捕捉到了该fd上的 POLLIN 事件，则 revents 会被修改：
fd: 4
events: POLLIN | POLLPRI
revents: POLLIN
返回值
poll 返回一个整数：
返回值
成功时，返回 pollfds 数组中的元素中的 revents 字段被设置为非零值的数量，即等待成功的fd的数量。
返回值为0表示在任何fd就绪之前，系统调用超时。
发生错误时，返回-1，errno 被设置为错误代码。
3. poll服务器
业务需求
主要功能
实现一个简单的并发网络服务器，能够接收来自多个客户端的连接，且能够并发地响应客户端的消息。
实现思路
与 select服务器 基本一致。
完整代码
使用C++封装实现一个简单的 poll 网络服务器。
完整代码
// Linux
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <poll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
// C
#include <cstring>
#include <cassert>
// C++
#include <iostream>
#include <memory>
// 监听端口
const in_port_t ServerPort = 8080;
const size_t NFDS = 100;
class PollServer {
// server fd
int server_;
// fd集合
std::unique_ptr<pollfd[], void(*)(pollfd*)> fds;
public:
// 初始化服务器
PollServer(in_port_t port)
// 开辟pollfd数组
: fds(new pollfd[NFDS], [](pollfd* fds) {
delete[] fds;
}) {
// 创建tcp套接字
server_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(server_ >= 0);
// 绑定地址端口
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
assert(bind(server_, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) >= 0);
// 设置端口复用
const int Optlen = 1;
setsockopt(server_, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &Optlen, sizeof(Optlen));
// 监听
assert(listen(server_, 10) >= 0);
std::cout << "Server listening on 0.0.0.0:" << port << std::endl;
// 将套接字加入到fds中
fds[0].fd = server_;
fds[0].events = POLLIN;
fds[0].revents = 0;
}
~PollServer() {
// 关闭服务器fd
close(server_);
}
// poll服务器运行
void run() {
// 业务循环
while (true) {
// poll系统调用
int ret = poll(fds.get(), NFDS, -1);
if (ret == -1) exit(-1);
if (ret == 0) continue;
// 获取结果
for (size_t i = 1; i < NFDS; ++i) {
if (fds[i].revents & POLLIN) {
// 收到了链接fd的io事件
int fd = fds[i].fd;
std::cout << "poll from fd: " << fd << std::endl;
// TODO: 处理具体业务...
// 这里简单的接收一下客户端发来的消息，并原封不动发回，然后关闭fd
char buf[4096];
// 接收
assert(read(fd, (void*)buf, sizeof(buf) -1) >= 0);
std::cout << "read fd " << fd << ": " << buf << std::endl;
// 发送
std::cout << "write fd " << fd << ", length = "
<< write(fd, buf, strlen(buf)) << std::endl;
// 关闭连接
close(fd);
// 清空当前的pollfd
fds[i].fd = 0;
fds[i].events = 0;
fds[i].revents = 0;
}
}
// 判断是否有新的连接请求
if (fds[0].revents & POLLIN) {
// 建立连接
sockaddr_in addr;
socklen_t addrlen = sizeof(addr);
int ret = accept(server_, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);
assert(ret >= 0);
char strAddr[INET_ADDRSTRLEN];
std::cout << "accept from "
<< inet_ntop(AF_INET, &(addr.sin_addr.s_addr), strAddr, sizeof(strAddr))
<< ":" << ntohs(addr.sin_port) << std::endl;
// 将新的连接fd加入到fds中，进入下一轮poll循环
for (size_t i = 1; i < NFDS; ++i) {
if (fds[i].events == 0) {
fds[i].fd = ret;
fds[i].events = POLLIN;
fds[i].revents = 0;
break;
}
}
}
}
}
};
int main() {
PollServer ps(ServerPort);
ps.run();
return 0;
}
4. 优缺点
优点
- 使用
pollfd结构体封装了fd、关注的events和发生的revents，使用起来比select方便。 - 相比于
select，poll的fd集合是由用户自定义长度的数组，没有fd数量的限制。
缺点
- 和
select一样，fd集合是一个数组，每次都需要线性遍历数组获取各fd的状态。 - 对于大量的fd，可能只有很少的fd处于就绪状态。随着fd数量的增加，其性能也会线性下降。