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- 引言
- 一、poll简介
- 二、poll函数接口
- ⭕参数说明
- 三、pollfd结构体
- ⭕events和revents的取值
- 四、返回值
- 五、工作原理
- 六、优缺点
- ✅优点
- ✅缺点
- 七、 使用示例
- 🚨注意事项
- 总结
- 温馨提示
引言
在上一篇探讨了I/O多路转接之select方法的基础上，本文将深入解析另一种强大的I/O多路转接技术——poll。I/O多路转接作为高效处理多个输入输出流的关键技术，广泛应用于网络编程和文件操作中，旨在提升程序处理并发I/O事件的能力。通过poll，我们可以进一步优化I/O性能，实现更加灵活和高效的资源调度。那么，poll究竟如何工作？它相比select又有哪些优势与差异？让我们一同揭开poll的神秘面纱。
一、poll简介
poll函数是Linux系统下提供的一种I/O多路复用机制，它允许程序同时监视多个文件描述符（如socket描述符）的状态变化，以便在单个线程中高效地处理多个并发连接。
二、poll函数接口
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);
⭕参数说明
- fds：一个指向
struct pollfd结构数组的指针，每个元素代表一个需要监视的文件描述符及其事件。 - nfds：
fds数组中元素的数量，即需要监视的文件描述符的数量。 - timeout：指定poll函数等待事件发生前的超时时间（毫秒）。如果
timeout为-1，poll将无限期等待；如果为0，poll将立即返回，不阻塞；如果为正数，poll将等待指定毫秒数。
三、pollfd结构体
pollfd结构体用于指定需要监视的文件描述符及其事件，其定义如下：
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 */
short events; /* 等待的事件，通过位或运算组合多个事件 */
short revents; /* 实际发生的事件，由内核设置 */
};
- fd：需要监视的文件描述符。
- events：用户感兴趣的事件集合，通过位或运算组合多个事件，如
POLLIN（可读）、POLLOUT（可写）等。 - revents：内核在调用返回时设置的实际发生的事件集合。
⭕events和revents的取值
在poll函数中，events和revents字段都是位掩码（bitmask），它们用于指定和返回文件描述符上发生的事件。下表是一些常见的events和revents的取值：
| 事件 | 描述 | 是否可作为输入 | 是否可作为输出 |
|---|---|---|---|
| POLLIN | 数据（包括普通数据和优先数据）可读 | 是 | 是 |
| POLLRDNORM | 普通数据可读 | 是 | 是 |
| POLLRDBAND | 优先级带数据可读（Linux不支持） | 是 | 是 |
| POLLPRI | 高优先级数据可读，比如TCP带外数据 | 是 | 是 |
| POLLOUT | 数据（包括普通数据和优先数据）可写 | 是 | 是 |
| POLLWRNORM | 普通数据可写 | 是 | 是 |
| POLLWRBAND | 优先级带数据可写 | 是 | 是 |
| POLLRDHUP | TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作。它由GNU引入 | 是 | 是 |
| POLLERR | 错误 | 否 | 是 |
| POLLHUP | 挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件 | 否 | 是 |
| POLLNVAL | 文件描述符没有打开 | 否 | 是 |
🚨🚨注意：revents字段可能在poll函数返回时被设置为多个事件的组合，这表示同时发生了多个事件。例如，如果revents被设置为POLLIN | POLLERR，那么表示同时发生了可读事件和错误事件。
四、返回值
- 成功：返回
fds数组中revents域不为0的文件描述符个数，即准备好读、写或出错状态的文件描述符数量。 - 超时：如果在指定的
timeout时间内没有事件发生，返回0。 - 失败：返回-1，并设置全局变量
errno以指示错误原因，如EBADF（无效的文件描述符）、EFAULT（fds指针指向的地址超出进程地址空间）、EINTR（调用被信号中断）等。
五、工作原理
poll函数通过轮询的方式检测fds数组中指定的文件描述符的状态。在调用poll函数后，程序会阻塞等待，直到以下情况之一发生：
- 指定的文件描述符上有事件发生（如可读、可写）。
- 等待时间超时（如果指定了超时时间）。
- 调用被信号中断。
当poll函数返回时，程序可以通过检查fds数组中每个元素的revents域来确定哪些文件描述符上发生了事件，并据此进行相应的处理。
六、优缺点
✅优点
- 无文件描述符数量限制：与select相比，poll没有最大文件描述符数量的限制（但实际上，当文件描述符数量非常大时，性能会下降）。
- 灵活性：允许用户指定多个感兴趣的事件，并可以根据实际发生的事件进行灵活处理。
- 超时控制：提供了超时控制机制，允许程序在等待事件发生的同时进行其他操作。
✅缺点
- 数据拷贝开销：与select类似，每次调用poll都需要将文件描述符集合从用户空间拷贝到内核空间，无论这些文件描述符是否就绪，这都会带来一定的开销。
- 轮询效率：当文件描述符数量非常多时，poll函数的轮询效率会显著下降。
七、 使用示例
以下是一个简单的使用poll函数来监视标准输入（文件描述符0）和普通文件读取事件的示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <poll.h>
#define MAX_EVENTS 10
int main() {
struct pollfd fds[2];
char buf[1024];
int numfds, i;
// 监视标准输入
fds[0].fd = 0; // 文件描述符0代表标准输入
fds[0].events = POLLIN; // 等待读取事件
// 打开一个文件并监视其读取事件
int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
perror("open");
exit(EXIT_FAILURE);
}
fds[1].fd = fd;
fds[1].events = POLLIN; // 等待读取事件
numfds = 2; // 要监视的文件描述符数量
// 使用poll函数监视文件描述符
while (1) {
int ret = poll(fds, numfds, -1); // 无限期等待
if (ret == -1) {
// poll函数调用失败
perror("poll");
break;
}
// 检查哪个文件描述符上的事件发生了
for (i = 0; i < numfds; ++i) {
if (fds[i].revents & POLLIN) {
if (fds[i].fd == 0) {
// 标准输入有数据可读
if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL) {
// 处理输入结束的情况
break;
}
printf("Read from stdin: %s", buf);
} else if (fds[i].fd == fd) {
// 文件有数据可读
ssize_t nread = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
if (nread == -1) {
// 处理读取错误
perror("read");
break;
}
buf[nread] = '\0'; // 确保字符串以null结尾
printf("Read from file: %s", buf);
}
}
// 可以在这里处理其他类型的事件，如POLLOUT、POLLERR等
}
}
close(fd); // 关闭打开的文件
return 0;
}
🚨注意事项
- 在使用poll函数时，需要确保
fds数组中的所有文件描述符在调用poll函数之前都是有效的。 - poll函数返回后，
fds数组中的revents字段将被内核设置，以反映实际发生的事件。程序需要检查这些字段来确定哪个文件描述符上的事件发生了。 - 当poll函数返回时，它不会清空
fds数组，因此可以连续多次调用poll函数，而无需重新初始化fds数组（除非需要监视不同的文件描述符或事件）。
总结
poll函数是Linux系统下提供的一种强大的I/O多路复用机制，它允许程序同时监视多个文件描述符的状态变化，并通过轮询的方式检测事件的发生。尽管poll函数在灵活性和超时控制方面具有一定优势，但在处理大规模连接时可能会遇到性能瓶颈。因此，在实际应用中需要根据具体场景和需求选择合适的I/O多路复用机制。为了进一步优化大规模连接下的性能表现，Linux还提供了epoll这一更为高效的I/O多路复用机制，我们将在下一篇文章中深入探讨epoll的工作原理及其优势。
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