深入理解 `poll` 函数：详细解析与实际应用

文章目录

[深入理解 `poll` 函数：详细解析与实际应用](#深入理解 poll 函数：详细解析与实际应用)
- [1. `poll` 函数简介](#1. poll 函数简介)
- - [`poll` 函数原型](#poll 函数原型)
  - 参数解析：
  - 返回值：
- [2. `poll` 的底层机制与工作原理](#2. poll 的底层机制与工作原理)
- - [1. `poll` 与 `select` 的区别](#1. poll 与 select 的区别)
  - [2. 工作流程](#2. 工作流程)
- [3. `poll` 使用场景](#3. poll 使用场景)
- [4. `poll` 的典型代码示例](#4. poll 的典型代码示例)
- - 代码说明：
- [5. 常见问题解答](#5. 常见问题解答)
- - [5.1 `poll` 和 `select` 的区别是什么？](#5.1 poll 和 select 的区别是什么？)
  - [5.2 为什么使用 `pollfd` 数组时需要将未使用的套接字初始化为 `-1`？](#5.2 为什么使用 pollfd 数组时需要将未使用的套接字初始化为 -1？)
- 总结

深入理解 `poll` 函数：详细解析与实际应用

在网络编程中，处理多个客户端并发连接是一项常见且重要的任务。传统上，使用 select 函数来实现多路复用。然而，随着对高性能和可扩展性的要求越来越高，poll 函数逐渐成为更常用的选择。本篇博客将详细介绍 poll 函数，并结合你遇到的难点，逐一解释其使用方法、底层机制及常见应用场景。

1. `poll` 函数简介

poll 是一种多路输入输出复用机制，常用于同时监听多个文件描述符的状态变化。与 select 函数类似，poll 通过阻塞等待多个文件描述符中的一个或多个事件发生，减少了在多客户端情况下需要处理的阻塞和轮询问题。

`poll` 函数原型

c 复制代码

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数解析：

fds：是一个指向 pollfd 结构体数组的指针。每个 pollfd 结构体表示一个需要监听的文件描述符。该结构体有以下几个字段：

fd：需要监听的文件描述符（通常是套接字）。
events：要监听的事件类型（如 POLLIN、POLLERR、POLLOUT 等）。
revents：实际发生的事件，poll 调用返回后，revents 会被填充，指示哪些事件已经发生。

nfds：fds 数组的大小，即需要监听的文件描述符的个数。

timeout：设置等待事件发生的超时时间，单位为毫秒。常用值有：

-1：无限等待，直到至少有一个事件发生。
0：立即返回（非阻塞模式）。

大于 0 的整数：指定最大等待时间，超时后返回。

返回值：

> 0：表示有文件描述符发生了事件，返回值是发生事件的文件描述符数量。
0：表示超时，没有事件发生。
< 0：表示出错，errno 会设置为相应的错误代码。

2. `poll` 的底层机制与工作原理

与 select 类似，poll 也是通过轮询来检查多个文件描述符的状态。但是，poll 在一些方面比 select 更加高效，尤其在文件描述符数量较多时。

1. `poll` 与 `select` 的区别

fd_set 结构：select 使用 fd_set 结构来管理文件描述符集，最大文件描述符的数量是固定的（通常为 1024）。而 poll 使用 pollfd 结构，它没有文件描述符数量的硬性限制，适合更大规模的文件描述符集合。

性能：由于 poll 不需要手动设置和清理 fd_set 结构（不像 select 那样需要每次修改），它的使用更简便。poll 通过直接操作 pollfd 数组，并在轮询时返回具体哪个文件描述符发生了事件。

超时机制：poll 支持精确的超时管理，可以精确设置等待时间，而 select 中只能粗略设置超时。

2. 工作流程

poll 会执行以下几个步骤：

初始化 pollfd 数组：首先，设置一个 pollfd 数组，配置每个文件描述符的监听事件。
调用 poll() 阻塞等待事件：poll 会阻塞直到监听的文件描述符上有一个或多个事件发生，或者超时。
检查返回的事件：poll 返回后，检查每个文件描述符的 revents 字段，查看哪些文件描述符发生了预期的事件。

3. `poll` 使用场景

poll 适用于高并发连接的场景，尤其是以下几种情况：

监听多个客户端连接：poll 可以同时监听多个客户端套接字，避免在高并发情况下的阻塞问题。
网络服务器：在构建高性能的网络服务器时，poll 可以帮助处理大量并发连接，减少线程和进程的创建和销毁，提高系统的资源利用效率。
I/O 多路复用：在需要监听多个输入输出流（如文件、网络套接字等）时，poll 提供了一个有效的解决方案。

4. `poll` 的典型代码示例

我们来看一个简单的 poll 示例，来展示如何使用它来处理多个客户端的连接。

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>

#define LISTEN_MAX 5
#define CLIENT_MAX 5

int main(void) {
    char buff[1024];
    int sock_fd, ret;

    // 创建套接字
    sock_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket failed");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in server_address;
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_address.sin_port = htons(8888);
    
    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr)&server_address, sizeof(server_address)) != 0) {
        perror("bind failed");
        exit(1);
    }

    listen(sock_fd, LISTEN_MAX);

    // 设置 pollfd
    struct pollfd fds[CLIENT_MAX + 1];
    fds[0].fd = sock_fd;
    fds[0].events = POLLIN;

    // 初始化客户端套接字
    for (int i = 1; i <= CLIENT_MAX; i++) {
        fds[i].fd = -1;  // 不监听，避免浪费资源
        fds[i].events = 0;
    }

    while (1) {
        ret = poll(fds, CLIENT_MAX + 1, -1);
        if (ret < 0) {
            perror("poll failed");
            exit(1);
        }

        // 处理 server 套接字
        if (fds[0].revents & POLLIN) {
            struct sockaddr_in client_address;
            socklen_t client_len = sizeof(client_address);
            int client_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr)&client_address, &client_len);
            if (client_fd < 0) {
                perror("accept failed");
                continue;
            }

            // 寻找空闲的槽位存储客户端套接字
            for (int i = 1; i <= CLIENT_MAX; i++) {
                if (fds[i].fd == -1) {
                    fds[i].fd = client_fd;
                    fds[i].events = POLLIN;
                    printf("New client connected: %d\n", client_fd);
                    break;
                }
            }
        }

        // 处理客户端请求
        for (int i = 1; i <= CLIENT_MAX; i++) {
            if (fds[i].fd != -1 && (fds[i].revents & POLLIN)) {
                int client_fd = fds[i].fd;
                ret = read(client_fd, buff, sizeof(buff));
                if (ret <= 0) {
                    close(client_fd);
                    fds[i].fd = -1;  // 清空客户端套接字
                    printf("Client %d disconnected\n", client_fd);
                } else {
                    printf("Received from client %d: %s\n", client_fd, buff);
                    write(client_fd, buff, ret);
                }
            }
        }
    }

    close(sock_fd);
    return 0;
}

代码说明：

套接字初始化：首先创建套接字，绑定到指定的 IP 和端口。
pollfd 数组初始化：为每个客户端套接字分配一个 pollfd 结构，监听可读事件（POLLIN）。
poll 调用：在 while 循环中，调用 poll() 来等待客户端连接或数据。
处理事件：

服务端套接字：当服务端套接字可读时，接受新连接。

客户端套接字：当客户端套接字可读时，读取数据并回传。

5. 常见问题解答

5.1 `poll` 和 `select` 的区别是什么？

poll 和 select 都用于多路复用，但有以下几个区别：

select 的限制：select 使用一个最大文件描述符数（通常为 1024），无法处理更大的文件描述符集合。而 poll 没有这个限制，可以处理更多的文件描述符。
select 的性能问题：select 在文件描述符较多时，性能较差，因为每次调用时都需要检查所有的文件描述符。
poll 的优越性：poll 在大文件描述符集合中表现得更高效，因为它只需要处理传入的文件描述符数组。

5.2 为什么使用 `pollfd` 数组时需要将未使用的套接字初始化为 `-1`？

pollfd 数组中的每个元素都代表一个文件描述符。通过将未使用的套接字设置为 -1，可以确保 poll 只监听有效的文件描述符。这样做可以节省资源并避免监听无效的套接字。

总结

poll 是一种多路复用技术，适用于监听多个套接字事件。与 select 相比，poll 没有文件描述符数量的限制，且更高效。
poll 使用 pollfd 数组来管理文件描述符，每个套接字的状态（如可读、错误等）都会存储在该结构中。
poll 适用于多客户端服务器，可以高效地处理多个客户端的并发请求。

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