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：
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 */
};
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 */
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 */
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 */
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*/
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;
}
}
}
}
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，也就是套接字上有数据可以读。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.
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.
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，给你留两道思考题：
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？
欢迎你在评论区写下你的思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。
- 夏目 👍（27） 💬（5）
老师，我还是没明白poll和select的本质区别是什么，能否指点一下
2019-11-15 - 徐凯 👍（20） 💬（1）
1.采用动态分配数组的方式 2.如果内存不够 进行realloc 或者申请一块更大的内存 然后把源数组拷贝过来
2019-09-25 - 阿卡牛 👍（12） 💬（1）
还有种信号驱动型I/O，老师可以讲解吗
2019-10-24 - Hale 👍（10） 💬（4）
能讲讲为什么不用POLLIN来判断套接字可读？
2019-09-26 - D 👍（9） 💬（3）
老师可否简单讲下底层实现，比如底层是数组，队列，红黑树等。
2019-09-25 - fedwing 👍（5） 💬（2）
老师，请教个问题，我看ready_number在29行的if里如果有会--，后面read for循环里，如果处理也--，我是不是可以这样理解，events_set[0]表示listen的套接字，这个套接字里如果有pollin，那么肯定是新连接（而不是普通套接字的读数据），所以这时就是获取对应的连接的文件描述符，将其加入到event_set数组里，用于后续poll的时候，多检测一个文件描述符，如果ready_number在前面的处理--后，还大于0，则表示events_set里其他的文件描述符也有待检测的事件触发，这些就是常规的双端连接对应的套接字，它们pollin的话，就是我们常规意义里的read数据了。
2020-08-12 - Geek_68d3d2 👍（5） 💬（1）
老师我看网络编程里面使用了各种函数，函数里面各种参数，您那里有没有什么文档参考手册啥的可供我们需要时翻阅，光靠脑子记，记不来啊。您平常都是怎么写代码啊，这些函数都是背下来了吗。
2019-12-11 - Simple life 👍（3） 💬（3）
我搞不懂，accept后的fd要加入event_set，然后再遍历取出，直接拿来读写不行吗？
2020-07-31 - Tesla 👍（2） 💬（1）
老师 poll不改变传入检测的event的状态，而是返回revent，是出于什么目的呢？
2020-03-05 - 传说中的成大大 👍（2） 💬（1）
我还是不太明白select和poll进行事件注册的区别,希望老师再给我指点指点
2019-09-30 - 传说中的成大大 👍（2） 💬（1）
第一问: 我觉得需要改进的原因在于他是一个固定死了的值,而很多时候我们都要考虑到扩容的问题,所以可以把所有的描述符push_back到一个vector等类似的容器当中,直接对容器取size就可以获得数量 第二问:把新连接上来的connfd添加进去,对上面问题的容器进行一次取size操作就行了 通过前面两个问题 我产生了第三个问题 我们都知道select 每次循环都需要向内核重新注册一次需要关心的描述符, 在Poll当中他是怎么处理的呢？也是每次都要注册一次吗？新增了描述放到集合当中肯定也需要通知内核啊 ！
2019-09-30 - LDxy 👍（2） 💬（1）
为什么程序里使用POLLRDNORM而不是POLLIN呢？这两者又何不同？
2019-09-25 - 菜鸡互啄 👍（1） 💬（1）
老师 28行不是太明白 如果listen_fd有可读事件 为什么说明有连接要accept了？
2021-12-09 - panda 👍（1） 💬（1）
老师，什么情况下会使套接字数目多余select数目呢，我所理解的是一般服务端对一个套接字就会开一个线程，客户端一个进程也不会创建出很多套接字，感觉都不会导致数量过多的情况，求指点
2020-02-04 - JJj 👍（1） 💬（1）
请问下，如果select同时关注可读、可写、异常。那是不是最多支持关注3*1024个IO事件
2020-01-16