Linux 应用层开发入门（二十二）| poll_select方式读取输入数据

在前两篇文章中，我们已经学习了：如何通过ioctl查询输入设备信息；如何使用阻塞 / 非阻塞方式读取输入事件；但是在真实项目中，几乎不会直接使用while(1)+read轮询。原因很简单：

当系统中有多个文件描述符需要监听时，简单的阻塞或非阻塞 read 已经不够用了。

1 为什么需要IO多路复用？

假设有如下需求：

• 同时监听键盘输入
• 同时监听触摸屏
• 同时监听串口
• 同时监听网络socket

这些都属于"文件描述符"，在Linux中一切皆文件，输入设备、串口、网络连接本质上都是可读写的文件对象。问题在于：如何在一个线程中同时感知它们的状态变化？

① 如果使用阻塞read

read(fd1);
read(fd2);
read(fd3);

程序执行到read(fd1)时，如果当前没有键盘输入数据，进程就会进入睡眠状态。此时即便串口或网络socket已经有数据到达，程序也完全不知道，因为它被阻塞在第一个read上。换句话说：

阻塞read只能等待一个文件描述符，无法同时感知多个数据源。

如果想解决这个问题，可能会想到创建多个线程，每个线程分别阻塞在不同的read上。虽然可以实现功能，但会带来新的问题：

• 线程切换开销
• 资源消耗增加
• 程序结构复杂
• 线程同步问题

对于嵌入式系统或资源受限设备，这种方式并不优雅。

② 如果使用非阻塞read

while(1)
{
    read(fd1);
    read(fd2);
    read(fd3);
}

非阻塞模式下，如果没有数据，read会立即返回 -1，因此程序不会被挂起。看起来好像可以同时"检查"多个设备。但这种方式存在严重问题：

1. CPU 空转：如果当前没有任何设备产生数据，程序会不停循环调用read，形成高频率的系统调用，占用大量CPU时间。系统在做无意义的查询工作，效率极低。
2. 响应延迟不可控：如果在循环中加入usleep()降低CPU占用，那么又会增加响应延迟，导致事件处理不及时。
3. 代码不优雅、不可扩展：当监听的文件描述符数量从3个变成30个、300个时，轮询方式会让代码变得臃肿，并且性能迅速下降。

本质上，阻塞read是"只能等一个"，非阻塞read是"自己不停问"，而我们真正想要的是：

在没有数据时让进程休眠，有数据时立即被唤醒，而且可以同时监听多个文件描述符。

这正是IO多路复用机制解决的问题。

Linux 提供select、poll、epoll等接口，其核心思想是：

• 由内核统一监视多个文件描述符
• 当任意一个文件准备好时
• 内核唤醒进程
• 应用层再去精确读取数据

这种机制兼具：

• 阻塞方式的低CPU占用
• 非阻塞方式的多路监听能力

因此，IO多路复用 是介于"阻塞等待"和"主动轮询"之间的一种高效折中方案，也是现代Linux网络编程和设备监听的基础。

2 什么是IO多路复用？

在实际开发中，程序往往需要同时监听多个文件描述符 ，例如键盘输入、触摸屏设备、串口数据以及网络socket等。如果对每个文件描述符依次调用阻塞式read()，程序只能阻塞在其中一个设备上，无法做到并发监听；如果采用非阻塞方式轮询多个read()，则会导致CPU空转、效率低下，代码结构也不够优雅。

为了解决这个问题，Linux 提出了 IO 多路复用（I/O Multiplexing）机制。其核心思想是：

使用一个线程同时监听多个文件描述符，当其中任意一个文件描述符就绪（可读、可写或发生异常）时，由内核统一通知应用程序，然后再进行实际的读写操作。这样既避免了阻塞等待单一设备的问题，也避免了无意义的轮询，提高了程序效率。

| 接口 | 特点 |
| select | 最早的，多平台支持 |
| poll | 改进版select |

epoll	高性能服务器使用

在Linux中，常见的IO多路复用机制有三种：select、poll和epoll。其中，select是最早出现、兼容性最好的方式；poll是对select的改进版本；而epoll则主要用于高并发服务器场景。本节将重点介绍select和poll的基本原理与使用方法。

3 poll工作原理

poll是Linux提供的一种IO多路复用机制，用于同时监听多个文件描述符的状态变化。

函数原型：

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

参数说明：

• fds：需要监听的文件描述符数组
• nfds：数组中元素的个数
• timeout：超时时间（单位：毫秒）
  • -1：一直等待
  • 0：立即返回（非阻塞）
  • >0：等待指定毫秒数

返回值：

• >0：有文件描述符准备好
• =0：超时
• <0：发生错误

3.1 poll的核心结构

struct pollfd {
    int fd;         // 监听的文件描述符
    short events;   // 关心的事件
    short revents;  // 实际发生的事件（由内核填写）
};

使用时，应用层通过events告诉内核自己关心什么事件，内核在返回时把实际发生的事件写入revents。

例如监听输入设备时：

fds[0].events = POLLIN;

表示：监听该文件描述符是否有数据可读。

常见事件类型包括：

• POLLIN： 有数据可读
• POLLOUT：可以写数据
• POLLERR：发生错误
• POLLHUP：设备断开

当poll()返回后，如果：

fds[0].revents & POLLIN

成立，就说明该设备已经准备好，可以安全调用read()读取数据。

3.2 poll读取流程

poll的工作过程可以理解为：

应用层调用 poll()
        ↓
内核遍历检查所有 fd 的状态
        ↓
如果没有任何 fd 就绪 → 进程进入睡眠
如果有 fd 就绪      → 立即返回
        ↓
应用层再调用 read() 读取数据

这是一种："先通知，再读写"的事件驱动模型。 与非阻塞轮询相比，poll不会让CPU空转；与阻塞read()相比，它又能同时监听多个文件描述符。因此在需要监听多个输入设备（如键盘、触摸屏、串口、socket）时，poll是一种++结构清晰、效率较高++的解决方案。

4 select工作原理

select是Linux系统中经典的I/O多路复用函数，它的底层工作逻辑可以概括为：

1. 程序向内核传递需要监听的fd集合（读/写/异常）、最大fd值和超时时间；
2. 内核阻塞等待，直到：
   • 至少一个监听的fd触发了对应事件（可读/可写/异常）；
   • 超时时间到达（即使没有事件触发）；
   • 被信号中断。
3. 内核修改fd集合，只保留触发事件的fd，然后返回给用户态；
4. 程序遍历修改后的fd集合，判断哪些fd触发了事件，再做对应处理。

函数原型：

int select(int maxfd, fd_set *readfds,
           fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds,
           struct timeval *timeout);

参数	含义
maxfd	监听的最大文件描述符值+1（内核会遍历0~maxfd-1的所有fd，需准确设置以减少遍历开销）
readfds	待监听可读事件的fd集合（NULL表示不监听） 可读场景：fd有数据可读、连接建立成功（如 socket accept）、对方关闭连接
writefds	待监听可写事件的fd集合（NULL 表示不监听） 可写场景：fd缓冲区有空闲空间可写数据
exceptfds	待监听异常事件的fd集合（NULL 表示不监听） 异常场景：fd发生带外数据（OOB）等
timeout	超时时间（struct timeval类型），控制select阻塞行为： -NULL：永久阻塞，直到有事件触发； -时间值为0：非阻塞，立即返回； - 时间值 > 0：阻塞指定时长，超时后返回 0

返回值说明：

• 成功：返回触发事件的fd总数（读 + 写 + 异常）；
• 0：超时时间到达，无任何fd触发事件；
• -1：出错（如被信号中断、参数错误），同时设置errno。

4.1 fd_set集合操作宏

fd_set是系统定义的fd集合类型（本质是位图/整数数组），无法直接操作，必须通过以下宏管理：

宏	作用
FD_ZERO(fd_set *set)	清空fd集合（初始化，必须先调用，否则集合内数据随机）
FD_SET(int fd, fd_set *set)	将指定fd加入集合（标记需要监听的fd）
FD_CLR(int fd, fd_set *set)	将指定fd从集合中移除
FD_ISSET(int fd, fd_set *set)	检查fd是否在集合中（select 返回后，判断该fd是否触发事件），返回非0 表示触发

关键注意点： select返回后，readfds/writefds/exceptfds会被内核修改------只保留触发事件的fd ，因此每次调用select前，都需要重新初始化并设置fd集合（否则会丢失需要监听的fd）。

4.2 select 的局限性

• fd 数量限制 ：fd_set的大小由系统宏FD_SETSIZE定义（通常是1024），无法监听超过1024个 fd；
• 效率低：每次调用select，内核需要遍历0~maxfd-1的所有fd，fd越多遍历越慢；
• 重复拷贝：每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，开销大；
• 需要重新设置集合：select返回后集合被修改，每次调用前必须重新初始化，代码冗余。

5 poll与select的区别

对比项	select	poll
文件数量限制	1024	无固定限制
参数形式	位图	数组
效率	较低	更好
可移植性	好	好

在嵌入式开发中：

推荐使用 poll

6 为什么要配合O_NONBLOCK？

在多路复用模式下：

fd = open(dev, O_RDWR | O_NONBLOCK);

原因：

• poll/select只负责"通知"
• 真正读取数据还是read
• 如果read阻塞会影响逻辑

因此通常：

多路复用 + 非阻塞模式

7 完整流程

输入设备产生事件
        ↓
内核缓存事件
        ↓
poll/select 被唤醒
        ↓
应用层 read 读取所有数据

8 poll方式读取输入数据完整代码

#include <linux/input.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>

/*
 * 使用方式：
 *      ./03_input_read_poll /dev/input/event0
 *
 * 功能：
 *      使用 poll 方式读取输入设备数据
 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int err;
    int len;
    int ret;
    struct input_id id;
    unsigned int evbit[2];
    struct input_event event;

    struct pollfd fds[1];     // 监听一个文件
    nfds_t nfds = 1;          // 文件数量

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 非阻塞打开
    fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
    if(fd < 0)
    {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }

    // 查询设备ID
    err = ioctl(fd, EVIOCGID, &id);
    if(err == 0)
    {
        printf("bustype = 0x%x\n", id.bustype);
        printf("vendor  = 0x%x\n", id.vendor);
        printf("product = 0x%x\n", id.product);
        printf("version = 0x%x\n", id.version);
    }

    while(1)
    {
        // 设置监听对象
        fds[0].fd = fd;
        fds[0].events = POLLIN;   // 监听可读
        fds[0].revents = 0;

        // 等待事件，超时50秒
        ret = poll(fds, nfds, 50000);

        if(ret > 0)
        {
            if(fds[0].revents & POLLIN)
            {
                // 读取所有事件
                while(read(fd, &event, sizeof(event)) == sizeof(event))
                {
                    printf("type=0x%x code=0x%x value=0x%x\n",
                           event.type, event.code, event.value);
                }
            }
        }
        else if(ret == 0)
        {
            printf("time out\n");
        }
        else
        {
            printf("poll error\n");
        }
    }

    return 0;
}

9 select方式读取输入数据完整代码

#include <linux/input.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>

/*
 * 使用方式：
 *      ./04_input_read_select /dev/input/event0
 *
 * 功能：
 *      使用 select 方式读取输入设备数据
 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int retval;
    struct input_event event;
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 非阻塞打开
    fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
    if(fd < 0)
    {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }

    while(1)
    {
        FD_ZERO(&rfds);      // 清空集合
        FD_SET(fd, &rfds);   // 添加监听fd

        tv.tv_sec = 5;       // 5秒超时
        tv.tv_usec = 0;

        // 调用select
        retval = select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);

        if(retval > 0)
        {
            while(read(fd, &event, sizeof(event)) == sizeof(event))
            {
                printf("type=0x%x code=0x%x value=0x%x\n",
                       event.type, event.code, event.value);
            }
        }
        else if(retval == 0)
        {
            printf("time out\n");
        }
        else
        {
            printf("select error\n");
        }
    }

    return 0;
}