【Linux网络】poll{初识poll / poll接口 / poll vs select / poll开发多客户端echo服务器}

阿猿收手吧！2024-07-17 5:09

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1.初识poll


poll是Linux系统中的一个系统调用，它用于监控多个文件描述符（file descriptors，如套接字、管道、文件等）的状态变化。通过poll，程序可以同时等待多个文件描述符上发生的特定事件（如可读、可写、错误等），而无需为每个文件描述符创建单独的线程或进程。这使得poll成为处理多个并发连接和I/O操作的有效手段。

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

fds：是一个指向struct pollfd结构体数组的指针，每个元素指定了一个要检查的文件描述符及其感兴趣的事件。

nfds：指定了fds数组中元素的数量。

timeout：指定了poll调用阻塞的时间，以毫秒为单位。如果设置为-1，poll将无限期地等待；如果设置为0，poll将立即返回；如果设置为正数，poll将在指定的毫秒数后超时。

poll与select的主要联系与区别

  1. 联系
    多路复用：poll和select都是I/O多路复用机制，允许程序同时监控多个文件描述符，提高了程序处理并发I/O的效率。
    事件通知：两者都提供了一种机制，通过事件通知程序哪些文件描述符已经准备好进行读取、写入或有异常情况。
    非阻塞I/O：它们都可以与非阻塞I/O结合使用，使得程序可以在没有数据可读或写入时继续执行其他任务。
  2. 区别
  • 文件描述符数量限制：
    select：通常受到系统文件描述符数量限制的限制，一般在1024个左右。
    poll：没有文件描述符数量的硬限制，理论上可以监控更多的文件描述符（但实际上受限于系统资源和内存限制）。
  • 数据结构：
    select：使用三个独立的位图（bitmap）来跟踪文件描述符的状态，这些位图在内核空间维护。
    poll：使用一个struct pollfd结构体数组来存储要监控的文件描述符及其事件，这个数组在用户空间维护。
  • 事件信息丰富度：
    select：需要程序遍历位图来查找事件，对于每个文件描述符的状态变化，select提供的信息相对较少。
    poll：struct pollfd结构体中的revents字段在事件发生时会被内核设置，提供了更丰富的信息关于每个文件描述符的状态变化。
  • 性能：
    select：在文件描述符数量较多时，性能会下降，因为需要遍历整个位图来查找就绪的文件描述符。
    poll：虽然也需要在用户空间和内核空间之间复制文件描述符集合，但由于其数据结构的设计，在处理大量文件描述符时可能具有更好的性能。然而，如果监控的文件描述符数量非常大，仍然可能遇到性能瓶颈。
  • 超时精度：
    select：超时参数是一个整数值，表示调用应该等待的秒数，精度较低。
    poll：超时参数是一个毫秒值，提供了更高的时间精度。
  • 移植性：
    两者都具有良好的可移植性，可以在不同的Unix-like系统中使用。但需要注意的是，在某些特定系统或环境下，poll的支持可能不如select广泛。

综上所述，poll和select在Linux系统中都扮演着重要的角色，但在具体使用时需要根据应用场景、文件描述符数量、性能要求等因素进行选择。

poll的原理

poll函数是Linux系统中的一个重要系统调用，用于监控多个文件描述符（file descriptors）的状态变化。下面从参数和底层原理两个方面对poll函数进行简要叙述。

cpp 复制代码 
#include <poll.h>  
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);

fds：这是一个指向struct pollfd结构体数组的指针。每个pollfd结构体代表了一个要监控的文件描述符及其感兴趣的事件。pollfd结构体的定义通常如下：

cpp 复制代码 
c
struct pollfd {  
    int fd;          // 文件描述符  
    short events;    // 等待的事件  
    short revents;   // 实际发生了的事件  
};

fd：要监控的文件描述符。

events：请求监控的事件，可以是读、写、异常等多种事件的组合。

revents：函数返回时，由内核设置，表示实际发生的事件。

nfds：指定了fds数组中元素的数量，即要监控的文件描述符的总数。

timeout：指定了poll调用阻塞的时间，以毫秒为单位。

如果timeout为正数，poll将等待指定的毫秒数。

如果timeout为0，poll将立即返回，不阻塞。

如果timeout为-1，poll将无限期地等待，直到有事件发生。

poll函数的底层原理

poll函数的底层实现原理主要基于等待队列。当调用poll函数时，它会遍历传入的pollfd结构体数组，为每个感兴趣的文件描述符注册一个等待事件。这些等待事件会被挂接到内核中相应的等待队列上。

等待队列：内核中的每个文件描述符都可能关联有一个或多个等待队列，用于存放等待该文件描述符上特定事件发生的进程或线程。

轮询与阻塞：poll函数会轮询检查每个文件描述符的等待队列，查看是否有事件发生。

如果有文件描述符上发生了感兴趣的事件，poll函数会立即返回，并将这些事件记录在对应pollfd结构体的revents字段中。

如果没有任何文件描述符上发生事件，并且timeout参数指定了非零值，poll函数会进入阻塞状态，直到超时时间到达或至少有一个文件描述符上发生了事件。

返回与错误处理：

当有文件描述符上发生事件或超时时间到达时，poll函数会返回。返回值表示发生了事件的文件描述符数量（如果大于0），或者在超时时返回0，或者在发生错误时返回-1并设置errno以指示错误原因。

效率与限制：虽然poll函数没有像select那样有文件描述符数量的硬限制，但在处理大量文件描述符时，仍然需要将整个pollfd数组在用户空间和内核空间之间复制，这可能会导致性能下降。此外，poll函数在内部仍然需要遍历所有要监控的文件描述符，因此在大规模并发场景下可能不是最高效的解决方案。

综上所述，poll函数通过轮询和等待队列机制实现了对多个文件描述符状态的监控，是Linux系统中处理I/O多路复用的重要手段之一。然而，在处理大量文件描述符时，可能需要考虑其性能限制并探索更高效的解决方案（如epoll）。

源码

cpp 复制代码 
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
// pollfd结构
struct pollfd {
 int fd; /* file descriptor */
 short events; /* requested events */
 short revents; /* returned events */
};

多路转接包括：用户告诉内核你需要关心什么 && 内核告诉用户你让我关心的fd有哪些就绪了。select 用位图，poll 用结构体数组。poll 在用户传给内核的时候，告诉内核需要关心 struct pollfd 结构体中的 fd 中的 events 事件；返回时，内核设置struct pollfd 结构体中的 revents 事件，表示该fd的该事件就绪。poll 最大的特点：将输入和输出事件进行分离！

内核怎么知道是关心读事件还是写事件还是其他事件呢？当内核返回用户也一样。 events 和 revents 都是 short 类型，都是 16 个比特位，在 Linux 中，使用比特位传参！把事件设置成位图的形式。

poll 的本质是将读写事件分离，传入用户定的数组元素的大小，通过 events 和 revents 以位图的方式来传递就绪和关心标记位的解决方案！

poll的优点

poll 也是多路转接方案的一种，它主要解决的就是 select 中的等待 fd 有上限的问题，以及每次都要对关心的 fd 进行事件重置的问题。

不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个pollfd的指针实现.

pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select"参数-值"传递的方式. 接口使用比select更方便。

poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降).

poll的缺点

poll中监听的文件描述符数目增多时和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符.

每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中.

同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降.

poll vs select

poll 本质上是通过一个结构体数组来等待 fd 的，它解决了 select 等待 fd 有上限的问题，如何解决？_event_fds 这个数组的大小是自己定的，可以定的非常大，大到内存扛不住，此时就是操作系统/内存 软件或硬件的问题了，不是 poll 接口本身的问题。select 等待 fd 有上限的问题，本质上是接口本身的问题，poll 本质上是解决了 select 等待 fd 有上限的问题。

poll 与 select 都需要遍历检测有哪些文件描述符就绪，poll 在内核中需要遍历检测有哪些文件描述符就绪；在用户层需要遍历检测有哪些事件已经就绪。

poll 和 select 都避免不开遍历的问题，当fd过多，效率提升不明显。

2.poll开发多客户端echo服务器

封装套接字接口

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "Log.hpp"

enum
{
    SocketErr = 2,
    BindErr,
    ListenErr,
};

const int g_backlog = 10;

class Sock
{
private:
    int _sockfd;

public:
    Sock()
    {
    }
    ~Sock()
    {
    }

public:
    void Socket()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            lg(Fatal, "socker error, %s: %d", strerror(errno), errno);
            exit(SocketErr);
        }
    }

    void Bind(uint16_t port)
    {
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

        if (bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            lg(Fatal, "bind error, %s: %d", strerror(errno), errno);
            exit(BindErr);
        }
    }

    void Listen()
    {
        if (listen(_sockfd, g_backlog) < 0)
        {
            lg(Fatal, "listen error, %s: %d", strerror(errno), errno);
            exit(ListenErr);
        }
    }

    int Accept(std::string *clientip, uint16_t *clientport)
    {
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len = sizeof(peer);
        int newfd = accept(_sockfd, (struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (newfd < 0)
        {
            lg(Warning, "accept error, %s: %d", strerror(errno), errno);
            return -1;
        }

        char ipstr[64];
        inet_ntop(AF_INET, &peer.sin_addr, ipstr, sizeof(ipstr));

        *clientip = ipstr;
        *clientport = ntohs(peer.sin_port);

        return newfd;
    }

    bool Connect(const std::string &ip, const uint16_t &port)
    {
        struct sockaddr_in peer;
        memset(&peer, 0, sizeof(peer));
        peer.sin_family = AF_INET;
        peer.sin_port = htons(port);
        inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &(peer.sin_addr));

        int n = connect(_sockfd, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer));
        if (n == -1)
        {
            std::cerr << "connect to " << ip << ":" << port << " error" << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

    void CloseFd()
    {
        close(_sockfd);
    }

    int getSocketFd()
    {
        return _sockfd;
    }
};

Makefile

bash 复制代码 
poll_server:Main.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
	rm -f poll_server

主函数

bash 复制代码 
#include "PollServer.hpp"
#include <memory>

int main()
{
    std::unique_ptr<PollServer> svr(new PollServer());
    svr->Init();
    svr->Start();

    return 0;
}

日志服务

bash 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 1024

#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4

#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3

#define LogFile "log.txt"

class Log
{
private:
    int printMethod;
    std::string path;

public:
    Log()
    {
        printMethod = Screen;
        path = "./";
    }

    void Enable(int method)
    {
        printMethod = method;
    }

    std::string levelToString(int level)
    {
        switch (level)
        {
        case Info:
            return "Info";
        case Debug:
            return "Debug";
        case Warning:
            return "Warning";
        case Error:
            return "Error";
        case Fatal:
            return "Fatal";
        default:
            return "None";
        }
    }

    /*
     void logmessage(int level, const char *format, ...)
        {
            time_t t = time(nullptr);
            struct tm *ctime = localtime(&t);
            char leftbuffer[SIZE];
            snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),
                     ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,
                     ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

            va_list s;
            va_start(s, format);
            char rightbuffer[SIZE];
            vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);
            va_end(s);

            // 格式：默认部分+自定义部分
            char logtxt[SIZE * 2];
            snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuffer, rightbuffer);

            // printf("%s", logtxt);
            printLog(level, logtxt);
        }
    */

   // lg(Warning, "accept error, %s: %d", strerror(errno), errno);
    void operator()(int level, const char *msg_format, ...)
    {
        time_t timestamp = time(nullptr);
        struct tm *ctime = localtime(&timestamp);
        //level 年月日
        char leftbuffer[SIZE];
        snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),
                 ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,
                 ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

        //自定义msg
        va_list arg_list;//存储可变参数列表信息
        va_start(arg_list, msg_format);//初始化 使其指向函数参数列表中format参数之后的第一个可变参数
        char rightbuffer[SIZE];
        vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), msg_format, arg_list);
        va_end(arg_list);//清理va_list变量

        // 格式：默认部分+自定义部分
        char log_content[SIZE * 2];
        snprintf(log_content, sizeof(log_content), "%s %s", leftbuffer, rightbuffer);

        // printf("%s", logtxt); // 暂时打印
        printLog(level, log_content);
    }

    void printLog(int level, const std::string &log_content)
    {
        switch (printMethod)
        {
        case Screen:
            std::cout << log_content << std::endl;
            break;
        case Onefile:
            printOneFile(LogFile, log_content);
            break;
        case Classfile:
            printClassFile(level, log_content);
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    void printOneFile(const std::string &log_filename, const std::string &log_content)
    {
        //path = "./"; #define LogFile "log.txt"
        std::string _logFilename = path + log_filename;
        int fd = open(_logFilename.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // "log.txt"
        if (fd < 0)
            return;
        write(fd, log_content.c_str(), log_content.size());
        close(fd);
    }

    void printClassFile(int level, const std::string &log_content)
    {
        //#define LogFile "log.txt"
        std::string filename = LogFile;
        filename += ".";
        filename += levelToString(level); // "log.txt.Debug"
        printOneFile(filename, log_content);
    }

    ~Log()
    {
    }
};

Log lg;

/*
int sum(int n, ...)
{
    va_list s; // char*
    va_start(s, n);

    int sum = 0;
    while(n)
    {
        sum += va_arg(s, int); // printf("hello %d, hello %s, hello %c, hello %d,", 1, "hello", 'c', 123);
        n--;
    }

    va_end(s); //s = NULL
    return sum;
}
*/

聊天服务器

bash 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <poll.h>
#include <sys/time.h>
#include "Socket.hpp"

using namespace std;

static const uint16_t defaultport = 8888;
static const int fd_num_max = 64;
int defaultFd = -1;
int non_event = 0;

class PollServer
{
private:
    Sock _listensock;
    uint16_t _port;
    struct pollfd _event_fds[fd_num_max]; // 结构体数组
    // struct pollfd *_event_fds; 动态数组 可扩容

    // int fd_array[fd_num_max];
    // int wfd_array[fd_num_max];
public:
    PollServer(uint16_t port = defaultport)
        : _port(port)
    {
        for (int i = 0; i < fd_num_max; i++)
        {
            _event_fds[i].fd = defaultFd;
            _event_fds[i].events = non_event;
            _event_fds[i].revents = non_event;
        }
    }
    bool Init()
    {
        _listensock.Socket();
        _listensock.Bind(_port);
        _listensock.Listen();

        return true;
    }
    void Accepter()
    {
        // 连接事件就绪
        std::string clientip;
        uint16_t clientport = 0;
        int sock = _listensock.Accept(&clientip, &clientport); // 会不会阻塞在这里？不会
        if (sock < 0)
            return;
        lg(Info, "accept success, %s: %d, sock fd: %d", clientip.c_str(), clientport, sock);

        // sock -> _event_fds[]
        int pos = 1;
        for (; pos < fd_num_max; pos++) // 第二个循环
        {
            if (_event_fds[pos].fd != defaultFd)
                continue;
            else
                break;
        }
        if (pos == fd_num_max)
        {
            lg(Warning, "server is full, close %d now!", sock);
            close(sock);
            // 也可以不关闭fd 扩容存fd
        }
        else
        {
             _event_fds[pos].fd = sock;
            _event_fds[pos].events = POLLIN;
            _event_fds[pos].revents = non_event;
            PrintFd();
        }
    }
    void Recver(int fd, int pos)
    {
        char buffer[1024];
        ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 需要考虑是否是完整数据包问题（此处忽略）
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            cout << "get a messge: " << buffer << endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            lg(Info, "client quit, me too, close fd is : %d", fd);
            close(fd);
            _event_fds[pos].fd = defaultFd; 
        }
        else
        {
            lg(Warning, "recv error: fd is : %d", fd);
            close(fd);
            _event_fds[pos].fd = defaultFd; 
        }
    }
    void Dispatcher()
    {
        for (int i = 0; i < fd_num_max; i++) // 这是第三个循环
        {
            int fd = _event_fds[i].fd;
            if (fd == defaultFd)
                continue;

            if (_event_fds[i].revents & POLLIN)
            {
                if (fd == _listensock.getSocketFd())
                    Accepter(); // 连接管理器
                else
                    Recver(fd, i); // non listenfd
            }
        }
    }
    void Start()
    {
        _event_fds[0].fd = _listensock.getSocketFd();
        _event_fds[0].events = POLLIN;
        int timeout = 3000; // 3s
        for (;;)
        {
            int n = poll(_event_fds, fd_num_max, timeout);
            switch (n)
            {
            case 0:
                cout << "time out... " << endl;
                break;
            case -1:
                cerr << "poll error" << endl;
                break;
            default:
                // 有事件就绪了
                cout << "get a new link!!!!!" << endl;
                Dispatcher();
                break;
            }
        }
    }
    void PrintFd()
    {
        cout << "online fd list: ";
        for (int i = 0; i < fd_num_max; i++)
        {
            if (_event_fds[i].fd == defaultFd)
                continue;
            cout << _event_fds[i].fd << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    ~PollServer()
    {
        _listensock.CloseFd();
    }
};
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