IO 多路复用之poll（高效并发服务器）

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  poll() 的机制与 select() 类似，与 select() 在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll() 没有最大文件描述符数量的限制（但是数量过大后性能也是会下降）。poll() 和 select() 同样存在一个缺点就是，包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否就绪，它的开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。

一、poll函数详解

struct pollfd
{
	/* 每一个 pollfd 结构体指定了一个被监视的文件描述符，
	可以传递多个结构体，指示 poll() 监视多个文件描述符。*/
	int fd;
	/*指定监测fd的事件（输入、输出、错误），每一个事件有多个取值*/
	short events;
	/*revents 域是文件描述符的操作结果事件，内核在调用返回时设置这个域。	
	events 域中请求的任何事件都可能在 revents 域中返回。*/
	short revents;
};

【Note】：
  每个结构体的 events 域是由用户来设置，告诉内核我们关注的是什么，而 revents 域是返回时内核设置的，以说明对该描述符发生了什么事件。

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

• 功能：监视并等待多个文件描述符的属性变化。
• 参数：
  • fds：指向一个结构体数组的第0个元素的指针，每个数组元素都是一个struct pollfd结构，用于指定测试某个给定的fd的条件；
  • nfds：用来指定第一个参数数组元素个数；
  • timeout：指定等待的毫秒数，无论 I/O 是否准备好，poll() 都会返回。当等待时间为 0 时，poll() 函数立即返回，为 -1 则使 poll() 一直阻塞直到一个指定事件发生。
• 返回值：成功：返回结构体中 revents 域不为 0 的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回 0；失败：返回 -1。并设置 errno 为下列值之一：

EBADF：一个或多个结构体中指定的文件描述符无效。
EFAULT：fds 指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR：请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL：nfds 参数超出 PLIMIT_NOFILE 值。
ENOMEM：可用内存不足，无法完成请求。

二、poll高并发服务器的流程

#include <头文件>

int main(int argc, char const *argv[])
{
	lfd = socket();
	bind();
	listen();
	struct pollfd client[OPEN_MAX]; // 声明pollfd结构体
	client[0].fd = lfd; // 要监听的第一个文件描述符
	client[0].events = POLLIN; // lfd监听普通读事件
	for (int i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
		client[i].fd = -1; // 其余表示不可用
	int maxi = 0;
	while(1)
	{
		int nready = poll(client, maxi+1, -1); // 阻塞监听是否有客户端连接请求
		if (client[0].revents & POLLIN == POLLIN) // lfd有读事件
		{
			cfd = accept();
			for (int i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
			{
				if (client[i].fd < 0) // 找到空闲区域
				{
					client[i].fd = cfd; // 存放accept返回的cfd，添加到监听队列中
					break;
				}
			}
			// 监听刚刚返回的cfd的读事件
			client[i].events = POLLIN;
			// 更新最大元素下标
			if (i > maxi)
				maxi = i;
		}
		for (i = 1; i <= maxi; ++i) // 轮询所有的文件描述符
		{
			if (client[i].revents & POLLIN == POLLIN) // client[i]有读事件
				/*事务处理*/
		}
	}
	close(lfd);
	return 0;
}

三、poll高并发服务器的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]; // 声明pollfd结构体
    struct sockaddr_in srv_addr, clt_addr;
    // 将地址结构清零（按字节），容易出错（后面两个参数容易颠倒）
    // memset(&srv_addr, 0, sizeof(srv_addr));
    // bzero也可以用来清零操作 
    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;
    // 设置套接字选项
    setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 创建套接字
    lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 绑定套接字
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&srv_addr, sizeof(srv_addr));
    
    // 监听客户端的连接
    listen(lfd, 128);

    client[0].fd = lfd; // 要监听的第一个文件描述符
    client[0].events = POLLIN; // lfd监听普通读事件

    for (i = 1; i < OPEN_MAX; ++i)
        client[i].fd = -1; // 其余表示不可用
    
    char buf[512];
    while (1)
    {
        nready = poll(client, maxi+1, -1); // 阻塞监听是否有客户端连接请求
        if (client[0].revents & POLLIN == POLLIN) // lfd有读事件            
        {
            clt_addr_len = sizeof(clt_addr);
            // 非阻塞接收客户端的连接
            cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&clt_addr, &clt_addr_len);
            memset(buf, 0, 512);
            // 打印已经连接的客户端的信息
            cout << "客户端连接：" << 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) // 找到空闲区域
                {
                    client[i].fd = cfd; // 存放accept返回的cfd，添加到监听队列中
                    break;
                }
            }
            // 达到连接上限
            if (i == OPEN_MAX)
                cout << "连接数已达上限！" << endl;
            // 监听刚刚返回的cfd的读事件
            client[i].events = POLLIN;
            // 更新最大元素下标
            if (i > maxi)
                maxi = i;
            // 没有更多的就绪事件，
            if (--nready <= 0) 
                continue;
        }
        int sockfd;
        for (i = 1; i <= maxi; ++i) // 轮询所有的文件描述符
        {
            if ((sockfd = client[i].fd) < 0)
                continue;
            if (client[i].revents & POLLIN == POLLIN) // client[i]有读事件
            {
                memset(buf, 0, 512);
                // 接收来自客户端的数据
                recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
                int ret = strlen(buf);
                if (ret < 0)
                {
                    // 收到RST标志
                    if (errno == ECONNRESET)
                    {
                        cout << "连接被重置" << endl;
                        close(cfd);
                        client[i].fd = -1; // poll不再监控该描述符
                    }
                    else
                        sys_err("read");
                }
                // 客户端关闭连接了
                else if (ret == 0)
                {
                    close(sockfd);
                    cout << "客户端关闭：" << inet_ntop(AF_INET, &clt_addr.sin_addr.s_addr, buf, sizeof(buf))
                        << "，" << ntohs(clt_addr.sin_port) << endl;
                    client[i].fd = -1; // 客户端关闭了连接
                }
                else
                {
                    for (int j = 0; j < ret; ++j)
                        buf[j] = toupper(buf[j]);
                    // 回射到客户端
                    send(sockfd, buf, ret, 0);
                    // 客户端写到标准输出
                    write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
                }
                if (--nready <= 0)
                    continue;
            }
        }
    }
    close(lfd);
    return 0;
}

四、poll高并发服务器总结

  poll的实现和 select非常相似，只是描述 fd 集合的方式不同，poll使用 pollfd 结构而不是 select的 fd_set 结构，其他的都差不多。

【优点】：

• poll在应付大数目的文件描述符的时候相比于select速度更快；
• 它没有最大连接数的限制，可以突破1024监听上限。

【缺点】：

• 大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义；
• 与select一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

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