IO 多路複用之poll（高效併發伺服器）

阿新 • • 發佈：2018-11-25

poll() 的機制與 select() 類似，與 select() 在本質上沒有多大差別，管理多個描述符也是進行輪詢，根據描述符的狀態進行處理，但是poll() 沒有最大檔案描述符數量的限制（但是數量過大後效能也是會下降）。poll() 和 select() 同樣存在一個缺點就是，包含大量檔案描述符的陣列被整體複製於使用者態和核心的地址空間之間，而不論這些檔案描述符是否就緒，它的開銷隨著檔案描述符數量的增加而線性增大。

一、poll函式詳解

struct pollfd
{
	/* 每一個 pollfd 結構體指定了一個被監視的檔案描述符，
	可以傳遞多個結構體，指示 poll() 監視多個檔案描述符。*/ 

	int fd;
	/*指定監測fd的事件（輸入、輸出、錯誤），每一個事件有多個取值*/
	short events;
	/*revents 域是檔案描述符的操作結果事件，核心在呼叫返回時設定這個域。	
	events 域中請求的任何事件都可能在 revents 域中返回。*/
	short revents;
};

【Note】：
每個結構體的 events 域是由使用者來設定，告訴核心我們關注的是什麼，而 revents 域是返回時核心設定的，以說明對該描述符發生了什麼事件。
在這裡插入圖片描述

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, 
 int timeout);

功能：監視並等待多個檔案描述符的屬性變化。
引數：
- fds：指向一個結構體陣列的第0個元素的指標，每個陣列元素都是一個struct pollfd結構，用於指定測試某個給定的fd的條件；
- nfds：用來指定第一個引數陣列元素個數；
- timeout：指定等待的毫秒數，無論 I/O 是否準備好，poll() 都會返回。當等待時間為 0 時，poll() 函式立即返回，為 -1 則使 poll() 一直阻塞直到一個指定事件發生。
返回值：成功：返回結構體中 revents 域不為 0 的檔案描述符個數；如果在超時前沒有任何事件發生，poll()返回 0；失敗：返回 -1。並設定 errno 為下列值之一：

EBADF：一個或多個結構體中指定的檔案描述符無效。
EFAULT：fds 指標指向的地址超出程序的地址空間。
EINTR：請求的事件之前產生一個訊號，呼叫可以重新發起。
EINVAL：nfds 引數超出 PLIMIT_NOFILE 值。
ENOMEM：可用記憶體不足，無法完成請求。

二、poll高併發伺服器的流程

#include <標頭檔案>

int main(int argc, char const *argv[])
{
	lfd = socket();
	bind();
	listen();
	struct pollfd client[OPEN_MAX]; // 宣告pollfd結構體
	client[0].fd = lfd; // 要監聽的第一個檔案描述符
	client[0].events = POLLIN; // lfd監聽普通讀事件
	for (int i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
		client[i].fd = -1; // 其餘表示不可用
	int maxi = 0;
	while(1)
	{
		int nready = poll(client, maxi+1, -1); // 阻塞監聽是否有客戶端連線請求
		if (client[0].revents & POLLIN == POLLIN) // lfd有讀事件
		{
			cfd = accept();
			for (int i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
			{
				if (client[i].fd < 0) // 找到空閒區域
				{
					client[i].fd = cfd; // 存放accept返回的cfd，新增到監聽佇列中
					break;
				}
			}
			// 監聽剛剛返回的cfd的讀事件
			client[i].events = POLLIN;
			// 更新最大元素下標
			if (i > maxi)
				maxi = i;
		}
		for (i = 1; i <= maxi; ++i) // 輪詢所有的檔案描述符
		{
			if (client[i].revents & POLLIN == POLLIN) // client[i]有讀事件
				/*事務處理*/
		}
	}
	close(lfd);
	return 0;
}

三、poll高併發伺服器的demo

#pragma GCC diagnostic error "-std=c++11"
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <ctype.h>
#include <vector>
using namespace std;

#define OPEN_MAX 1024

void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int lfd, cfd;
    int i, nready, maxi = 0;
    socklen_t clt_addr_len;
    struct pollfd client[OPEN_MAX]; // 宣告pollfd結構體
    struct sockaddr_in srv_addr, clt_addr;
    // 將地址結構清零（按位元組），容易出錯（後面兩個引數容易顛倒）
    // memset(&srv_addr, 0, sizeof(srv_addr));
    // bzero也可以用來清零操作 
    bzero(&srv_addr, sizeof(srv_addr));
    srv_addr.sin_family = AF_INET;
    srv_addr.sin_port = htons(8080);
    srv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int opt = 1;
    // 設定套接字選項
    setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 建立套接字
    lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 繫結套接字
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&srv_addr, sizeof(srv_addr));
    
    // 監聽客戶端的連線
    listen(lfd, 128);

    client[0].fd = lfd; // 要監聽的第一個檔案描述符
    client[0].events = POLLIN; // lfd監聽普通讀事件

    for (i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
        client[i].fd = -1; // 其餘表示不可用
    
    char buf[512];
    while (1)
    {
        nready = poll(client, maxi+1, -1); // 阻塞監聽是否有客戶端連線請求
        if (client[0].revents & POLLIN == POLLIN) // lfd有讀事件            
        {
            clt_addr_len = sizeof(clt_addr);
            // 非阻塞接收客戶端的連線
            cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clt_addr, &clt_addr_len);
            memset(buf, 0, 512);
            // 列印已經連線的客戶端的資訊
            cout << "客戶端連線：" << inet_ntop(AF_INET, &clt_addr.sin_addr.s_addr, buf, sizeof(buf)) 
                 << "，" << ntohs(clt_addr.sin_port) << endl;
            for (i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
            {
                if (client[i].fd < 0) // 找到空閒區域
                {
                    client[i].fd = cfd; // 存放accept返回的cfd，新增到監聽佇列中
                    break;
                }
            }
            // 達到連線上限
            if (i == OPEN_MAX)
                cout << "連線數已達上限！" << endl;
            // 監聽剛剛返回的cfd的讀事件
            client[i].events = POLLIN;
            // 更新最大元素下標
            if (i > maxi)
                maxi = i;
            // 沒有更多的就緒事件，
            if (--nready <= 0) 
                continue;
        }
        int sockfd;
        for (i = 1; i <= maxi; ++i) // 輪詢所有的檔案描述符
        {
            if ((sockfd = client[i].fd) < 0)
                continue;
            if (client[i].revents & POLLIN == POLLIN) // client[i]有讀事件
            {
                memset(buf, 0, 512);
                // 接收來自客戶端的資料
                recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
                int ret = strlen(buf);
                if (ret < 0)
                {
                    // 收到RST標誌
                    if (errno == ECONNRESET)
                    {
                        cout << "連線被重置" << endl;
                        close(cfd);
                        client[i].fd = -1; // poll不再監控該描述符
                    }
                    else
                        sys_err("read");
                }
                // 客戶端關閉連線了
                else if (ret == 0)
                {
                    close(sockfd);
                    cout << "客戶端關閉：" << inet_ntop(AF_INET, &clt_addr.sin_addr.s_addr, buf, sizeof(buf))
                        << "，" << ntohs(clt_addr.sin_port) << endl;
                    client[i].fd = -1; // 客戶端關閉了連線
                }
                else
                {
                    for (int j = 0; j < ret; ++j)
                        buf[j] = toupper(buf[j]);
                    // 回射到客戶端
                    send(sockfd, buf, ret, 0);
                    // 客戶端寫到標準輸出
                    write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
                }
                if (--nready <= 0)
                    continue;
            }
        }
    }
    close(lfd);
    return 0;
}

四、poll高併發伺服器總結

poll的實現和 select非常相似，只是描述 fd 集合的方式不同，poll使用 pollfd 結構而不是 select的 fd_set 結構，其他的都差不多。

【優點】：

poll在應付大數目的檔案描述符的時候相比於select速度更快；
它沒有最大連線數的限制，可以突破1024監聽上限。

【缺點】：

大量的fd的陣列被整體複製於使用者態和核心地址空間之間，而不管這樣的複製是不是有意義；
與select一樣，poll返回後，需要輪詢pollfd來獲取就緒的描述符。

參考：https://blog.csdn.net/lixungogogo/article/details/52226501
https://blog.csdn.net/tennysonsky/article/details/45745887

IO 多路複用之poll（高效併發伺服器）

IO 多路複用之poll（高效併發伺服器）

IO 多路複用之epoll（高效併發伺服器）

IO 多路複用之select（高效併發伺服器）

Linux IO多路複用之poll

網路通訊：IO多路複用之select、poll、epoll詳解

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