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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：
int poll(struct pollfd *fds, unsigned long nfds, int timeout);
返回值：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1
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？
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