【Linux网络】多路转接poll

原创已于 2025-05-18 18:01:39 修改 · 686 阅读

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于 2025-05-18 17:17:23 首次发布

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多路转接poll

在Linux网络编程中，poll 是一种I/O多路复用机制，允许程序在单个线程内同时监视多个文件描述符（如socket描述符）的状态变化，高效处理多个并发连接。

以下是详细介绍：

1. 与select的关联及改进

poll 是对 select 模型的优化。select 存在一些局限性，如能监视的文件描述符数量受 fd_set 大小限制，且每次调用需手动设置输入输出参数并重置关注的事件。

poll 解决了这些问题，理论上能描述的文件描述符个数无上限，还将输入输出型参数分离，使用时无需重新设置。

2. 函数接口

poll 函数原型为：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数 fds：是一个指向 pollfd 结构体数组的指针。pollfd 结构体用于指定需要监视的文件描述符及其事件，定义如下：

struct pollfd {
    int fd;         /* 文件描述符 */
    short events;   /* 用户感兴趣的事件集合，如POLLIN（可读）、POLLOUT（可写）、POLLERR(错误)等 ，通过位或运算组合多个事件 */
    short revents;  /* 内核在调用返回时设置的实际发生的事件集合 */
};

参数 nfds：表示 fds 数组中元素的数量，即需要监视的文件描述符的数量。
参数 timeout：指定 poll 函数等待事件发生前的超时时间（单位为毫秒）。若 timeout 为 -1 ，poll 将无限期等待；若为 0 ，poll 将立即返回，不阻塞；若为正数，poll 将等待指定毫秒数。
以下是以表格形式呈现的 poll 事件选项说明：

事件宏	值	描述
`POLLIN`	0x001	数据可读（包括普通数据、优先级带数据等）。
`POLLRDNORM`	0x001	普通数据可读（Linux 下与 `POLLIN` 等效）。
`POLLRDBAND`	0x004	优先级带数据可读（Linux 支持有限）。
`POLLOUT`	0x004	数据可写（发送缓冲区可用空间充足）。
`POLLWRNORM`	0x004	普通数据可写（Linux 下与 `POLLOUT` 等效）。
`POLLWRBAND`	0x008	优先级带数据可写（Linux 支持有限）。
`POLLRDHUP`	0x2000	对端关闭连接（TCP FIN 包或半关闭状态）。
`POLLERR`	0x008	发生错误（如连接重置、超时等），需通过 `getsockopt(SO_ERROR)` 读取。
`POLLHUP`	0x010	挂起（如管道写端关闭，或套接字连接断开）。
`POLLNVAL`	0x020	文件描述符无效（如未打开或已关闭的 FD）。

3. 工作原理

调用 poll 函数后，程序会阻塞等待，直到以下情况之一发生：

有文件描述符上发生了用户感兴趣的事件（如可读、可写、异常等，对应 revents 字段被内核设置）。
等待超时（达到 timeout 设置的时间）。
收到信号中断。

当 poll 函数返回时，通过检查 fds 数组中每个元素的 revents 域，可确定哪些文件描述符上发生了事件，并据此进行相应处理。例如，若 revents 被设置为 POLLIN | POLLERR ，表示同时发生了可读事件和错误事件。

4. 特点

优点：
- 灵活性高：允许用户指定多个感兴趣的事件，可根据实际发生的事件灵活处理。
- 突破数量限制：使用数组存储文件描述符，理论上能监视的文件描述符个数无上限，解决了 select 中文件描述符数量受限问题。
- 参数易用：将输入输出型参数分离，无需像 select 那样每次调用都重新设置参数。
缺点：
- 拷贝开销大：作为系统调用，每次调用都要将文件描述符数组从用户态拷贝到内核态，存在较大开销。
- 遍历效率低：每次调用 poll 都需遍历所有要监视的文件描述符来检测事件，当文件描述符数量很多时，开销剧增，性能和效率会降低。

5. 使用示例

以下是一个简单示例，使用 poll 函数监视标准输入（文件描述符0）和普通文件读取事件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_EVENTS 2

int main() {
    struct pollfd fds[MAX_EVENTS];
    int fd;
    char buf[1024];

    // 监视标准输入（文件描述符0）的可读事件
    fds[0].fd = 0;
    fds[0].events = POLLIN;

    // 打开一个普通文件用于监视
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    fds[1].fd = fd;
    fds[1].events = POLLIN;

    // 调用poll函数，等待事件发生，设置超时时间为5000毫秒
    int n = poll(fds, MAX_EVENTS, 5000);
    if (n < 0) {
        perror("poll");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    } else if (n == 0) {
        printf("Poll timed out.\n");
    } else {
        // 检查标准输入是否有事件发生
        if (fds[0].revents & POLLIN) {
            ssize_t bytes_read = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
            if (bytes_read > 0) {
                buf[bytes_read] = '\0';
                printf("Standard input: %s", buf);
            }
        }
        // 检查文件描述符对应的文件是否有事件发生
        if (fds[1].revents & POLLIN) {
            ssize_t bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
            if (bytes_read > 0) {
                buf[bytes_read] = '\0';
                printf("File: %s", buf);
            }
        }
    }
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}