21 | poll：另一种I/O多路复用

你好，我是盛延敏，这是网络编程实战第 21 讲，欢迎回来。

上一讲我们讲到了 I/O 多路复用技术，并以 select 为核心，展示了 I/O 多路复用技术的能力。select 方法是多个 UNIX 平台支持的非常常见的 I/O 多路复用技术，它通过描述符集合来表示检测的 I/O 对象，通过三个不同的描述符集合来描述 I/O 事件 ：可读、可写和异常。但是 select 有一个缺点，那就是所支持的文件描述符的个数是有限的。在 Linux 系统中，select 的默认最大值为 1024。

那么有没有别的 I/O 多路复用技术可以突破文件描述符个数限制呢？当然有，这就是 poll 函数。这一讲，我们就来学习一下另一种 I/O 多路复用的技术：poll。

poll 函数介绍

poll 是除了 select 之外，另一种普遍使用的 I/O 多路复用技术，和 select 相比，它和内核交互的数据结构有所变化，另外，也突破了文件描述符的个数限制。

下面是 poll 函数的原型：

int poll(struct pollfd *fds, unsigned long nfds, int timeout); 
　　　
返回值：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为 0，若出错则为 -1
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这个函数里面输入了三个参数，第一个参数是一个 pollfd 的数组。其中 pollfd 的结构如下：

struct pollfd {
    int    fd;       /* file descriptor */
    short  events;   /* events to look for */
    short  revents;  /* events returned */
 };
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这个结构体由三个部分组成，首先是描述符 fd，然后是描述符上待检测的事件类型 events，注意这里的 events 可以表示多个不同的事件，具体的实现可以通过使用二进制掩码位操作来完成，例如，POLLIN 和 POLLOUT 可以表示读和写事件。

#define    POLLIN    0x0001    /* any readable data available */
#define    POLLPRI   0x0002    /* OOB/Urgent readable data */
#define    POLLOUT   0x0004    /* file descriptor is writeable */
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和 select 非常不同的地方在于，poll 每次检测之后的结果不会修改原来的传入值，而是将结果保留在 revents 字段中，这样就不需要每次检测完都得重置待检测的描述字和感兴趣的事件。我们可以把 revents 理解成“returned events”。

events 类型的事件可以分为两大类。

第一类是可读事件，有以下几种：

#define POLLIN     0x0001    /* any readable data available */
#define POLLPRI    0x0002    /* OOB/Urgent readable data */
#define POLLRDNORM 0x0040    /* non-OOB/URG data available */
#define POLLRDBAND 0x0080    /* OOB/Urgent readable data */
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一般我们在程序里面有 POLLIN 即可。套接字可读事件和 select 的 readset 基本一致，是系统内核通知应用程序有数据可以读，通过 read 函数执行操作不会被阻塞。

第二类是可写事件，有以下几种：

#define POLLOUT    0x0004    /* file descriptor is writeable */
#define POLLWRNORM POLLOUT   /* no write type differentiation */
#define POLLWRBAND 0x0100    /* OOB/Urgent data can be written */
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一般我们在程序里面统一使用 POLLOUT。套接字可写事件和 select 的 writeset 基本一致，是系统内核通知套接字缓冲区已准备好，通过 write 函数执行写操作不会被阻塞。

以上两大类的事件都可以在“returned events”得到复用。还有另一大类事件，没有办法通过 poll 向系统内核递交检测请求，只能通过“returned events”来加以检测，这类事件是各种错误事件。

#define POLLERR    0x0008    /* 一些错误发送 */
#define POLLHUP    0x0010    /* 描述符挂起 */
#define POLLNVAL   0x0020    /* 请求的事件无效 */
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我们再回过头看一下 poll 函数的原型。参数 nfds 描述的是数组 fds 的大小，简单说，就是向 poll 申请的事件检测的个数。

最后一个参数 timeout，描述了 poll 的行为。

如果是一个 <0 的数，表示在有事件发生之前永远等待；如果是 0，表示不阻塞进程，立即返回；如果是一个 >0 的数，表示 poll 调用方等待指定的毫秒数后返回。

关于返回值，当有错误发生时，poll 函数的返回值为 -1；如果在指定的时间到达之前没有任何事件发生，则返回 0，否则就返回检测到的事件个数，也就是“returned events”中非 0 的描述符个数。

poll 函数有一点非常好，如果我们不想对某个 pollfd 结构进行事件检测，可以把它对应的 pollfd 结构的 fd 成员设置成一个负值。这样，poll 函数将忽略这样的 events 事件，检测完成以后，所对应的“returned events”的成员值也将设置为 0。

和 select 函数对比一下，我们发现 poll 函数和 select 不一样的地方就是，在 select 里面，文件描述符的个数已经随着 fd_set 的实现而固定，没有办法对此进行配置；而在 poll 函数里，我们可以控制 pollfd 结构的数组大小，这意味着我们可以突破原来 select 函数最大描述符的限制，在这种情况下，应用程序调用者需要分配 pollfd 数组并通知 poll 函数该数组的大小。

基于 poll 的服务器程序

下面我们将开发一个基于 poll 的服务器程序。这个程序可以同时处理多个客户端连接，并且一旦有客户端数据接收后，同步地回显回去。这已经是一个颇具高并发处理的服务器原型了，再加上后面讲到的非阻塞 I/O 和多线程等技术，基本上就是可使用的准生产级别了。

所以，让我们打起精神，一起来看这个程序。

#define INIT_SIZE 128
 
int main(int argc, char **argv) {
    int listen_fd, connected_fd;
    int ready_number;
    ssize_t n;
    char buf[MAXLINE];
    struct sockaddr_in client_addr;
 
    listen_fd = tcp_server_listen(SERV_PORT);
 
    // 初始化 pollfd 数组，这个数组的第一个元素是 listen_fd，其余的用来记录将要连接的 connect_fd
    struct pollfd event_set[INIT_SIZE];
    event_set[0].fd = listen_fd;
    event_set[0].events = POLLRDNORM;
 
    // 用 -1 表示这个数组位置还没有被占用
    int i;
    for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
        event_set[i].fd = -1;
    }
 
    for (;;) {
        if ((ready_number = poll(event_set, INIT_SIZE, -1)) < 0) {
            error(1, errno, "poll failed ");
        }
 
        if (event_set[0].revents & POLLRDNORM) {
            socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
            connected_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
 
            // 找到一个可以记录该连接套接字的位置
            for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
                if (event_set[i].fd < 0) {
                    event_set[i].fd = connected_fd;
                    event_set[i].events = POLLRDNORM;
                    break;
                }
            }
 
            if (i == INIT_SIZE) {
                error(1, errno, "can not hold so many clients");
            }
 
            if (--ready_number <= 0)
                continue;
        }
 
        for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
            int socket_fd;
            if ((socket_fd = event_set[i].fd) < 0)
                continue;
            if (event_set[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {
                if ((n = read(socket_fd, buf, MAXLINE)) > 0) {
                    if (write(socket_fd, buf, n) < 0) {
                        error(1, errno, "write error");
                    }
                } else if (n == 0 || errno == ECONNRESET) {
                    close(socket_fd);
                    event_set[i].fd = -1;
                } else {
                    error(1, errno, "read error");
                }
 
                if (--ready_number <= 0)
                    break;
            }
        }
    }
}
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当然，一开始需要创建一个监听套接字，并绑定在本地的地址和端口上，这在第 10 行调用 tcp_server_listen 函数来完成。

在第 13 行，我初始化了一个 pollfd 数组，并命名为 event_set，之所以叫这个名字，是引用 pollfd 数组确实代表了检测的事件集合。这里数组的大小固定为 INIT_SIZE，这在实际的生产环境肯定是需要改进的。

我在前面讲过，监听套接字上如果有连接建立完成，也是可以通过 I/O 事件复用来检测到的。在第 14-15 行，将监听套接字 listen_fd 和对应的 POLLRDNORM 事件加入到 event_set 里，表示我们期望系统内核检测监听套接字上的连接建立完成事件。

在前面介绍 poll 函数时，我们提到过，如果对应 pollfd 里的文件描述字 fd 为负数，poll 函数将会忽略这个 pollfd，所以我们在第 18-21 行将 event_set 数组里其他没有用到的 fd 统统设置为 -1。这里 -1 也表示了当前 pollfd 没有被使用的意思。

下面我们的程序进入一个无限循环，在这个循环体内，第 24 行调用 poll 函数来进行事件检测。poll 函数传入的参数为 event_set 数组，数组大小 INIT_SIZE 和 -1。这里之所以传入 INIT_SIZE，是因为 poll 函数已经能保证可以自动忽略 fd 为 -1 的 pollfd，否则我们每次都需要计算一下 event_size 里真正需要被检测的元素大小；timeout 设置为 -1，表示在 I/O 事件发生之前 poll 调用一直阻塞。

如果系统内核检测到监听套接字上的连接建立事件，就进入到第 28 行的判断分支。我们看到，使用了如 event_set[0].revent 来和对应的事件类型进行位与操作，这个技巧大家一定要记住，这是因为 event 都是通过二进制位来进行记录的，位与操作是和对应的二进制位进行操作，一个文件描述字是可以对应到多个事件类型的。

在这个分支里，调用 accept 函数获取了连接描述字。接下来，33-38 行做了一件事，就是把连接描述字 connect_fd 也加入到 event_set 里，而且说明了我们感兴趣的事件类型为 POLLRDNORM，也就是套集字上有数据可以读。在这里，我们从数组里查找一个没有没占用的位置，也就是 fd 为 -1 的位置，然后把 fd 设置为新的连接套接字 connect_fd。

如果在数组里找不到这样一个位置，说明我们的 event_set 已经被很多连接充满了，没有办法接收更多的连接了，这就是第 41-42 行所做的事情。

第 45-46 行是一个加速优化能力，因为 poll 返回的一个整数，说明了这次 I/O 事件描述符的个数，如果处理完监听套接字之后，就已经完成了这次 I/O 复用所要处理的事情，那么我们就可以跳过后面的处理，再次进入 poll 调用。

接下来的循环处理是查看 event_set 里面其他的事件，也就是已连接套接字的可读事件。这是通过遍历 event_set 数组来完成的。

如果数组里的 pollfd 的 fd 为 -1，说明这个 pollfd 没有递交有效的检测，直接跳过；来到第 53 行，通过检测 revents 的事件类型是 POLLRDNORM 或者 POLLERR，我们可以进行读操作。在第 54 行，读取数据正常之后，再通过 write 操作回显给客户端；在第 58 行，如果读到 EOF 或者是连接重置，则关闭这个连接，并且把 event_set 对应的 pollfd 重置；第 61 行读取数据失败。

和前面的优化加速处理一样，第 65-66 行是判断如果事件已经被完全处理完之后，直接跳过对 event_set 的循环处理，再次来到 poll 调用。

实验

我们启动这个服务器程序，然后通过 telnet 连接到这个服务器程序。为了检验这个服务器程序的 I/O 复用能力，我们可以多开几个 telnet 客户端，并且在屏幕上输入各种字符串。

客户端 1：

$telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
a
a
aaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaa
afafasfa
afafasfa
fbaa
fbaa
^]
 
 
telnet> quit
Connection closed.
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客户端 2：

telnet 127.0.0.1 43211
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
b
b
bbbbbbb
bbbbbbb
bbbbbbb
bbbbbbb
^]
 
 
telnet> quit
Connection closed.
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可以看到，这两个客户端互不影响，每个客户端输入的字符很快会被回显到客户端屏幕上。一个客户端断开连接，也不会影响到其他客户端。

总结

poll 是另一种在各种 UNIX 系统上被广泛支持的 I/O 多路复用技术，虽然名声没有 select 那么响，能力一点不比 select 差，而且因为可以突破 select 文件描述符的个数限制，在高并发的场景下尤其占优势。这一讲我们编写了一个基于 poll 的服务器程序，希望你从中学会 poll 的用法。

思考题

和往常一样，给大家留两道思考题：

第一道，在我们的程序里 event_set 数组的大小固定为 INIT_SIZE，这在实际的生产环境肯定是需要改进的。你知道如何改进吗？

第二道，如果我们进行了改进，那么接下来把连接描述字 connect_fd 也加入到 event_set 里，如何配合进行改造呢？

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