1 简介
poll机制的工作原理及流程与select类似，但poll可监控的进程数量不受select中第二个因素——fd_set集合容量的限制，用户可在程序中自行设置被监测的文件描述符集的容量，当然poll在阻塞模式下也采用轮询的方式监测文件描述符集，因此应合理设置poll中监控进程的数量。
2 poll函数
poll()函数存在于函数库poll.h中，其声明如下：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数fds是一个struct pollfd类型的指针，主要用于传入被监测的多个文件描述符，其数据类型struct pollfd的定义如下：
struct pollfd{
int fd; //文件描述符，设置为-1时，表示取消对该文件描述符的监测
short events; //等待的事件
short revents; //实际发生的事件
}
poll事件相关宏及其说明
-
参数nfds等同于select()函数中的参数nfds，用来设置pollt监控的文件描述符的范围，需设置为文件描述符最大值加1；
-
参数timeout与select()函数中的参数timeout，都用于设置组设时长，但其取值略有差异，poll()函数中参数timeout的取值及其对应含义如下：
– 当timeout=-1时，poll()函数阻塞等待；
– 当timeout=0时，poll()函数将立即返回，以轮询的方式监测文件描述符表；
– 当timeout>0时，等待指定时长（单位为毫秒，若当前系统时间精度不够毫秒则向上取值）。 -
poll()函数若调用成功将返回就绪文件描述符数量；若等待超时，将返回0，表示没有已就绪的文件描述符；若调用出错，将返回-1，并设置errno。
【案例】：使用poll模型搭建多路I/O转接服务器，使服务器可接收客户端数据，并将接收到的数据转为大写，写回客户端；使客户端可向服务器发送数据，并将服务器返回的数据打印到终端。
poll_s.c //服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80 //缓冲数组大小
#define SERV_PORT 8000 //端口号
#define OPEN_MAX 1024 //最大打开文件描述符数量
int main()
{
int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;
int nready;
ssize_t n;
char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];
socklen_t clilen;
struct pollfd client[OPEN_MAX]; //文件描述符与事件集合
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;
listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(listenfd, 20);
//初始化poll()的参数fds
client[0].fd = listenfd;
client[0].events = POLLRDNORM; //设置listenfd监听普通读事件
for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)
client[i].fd = -1; //将client[]中其余元素的fd成员初始化为-1
maxi = 0; //记录client[]数组有效元素中最大元素下标
//使用poll()机制循环检测文件描述符集合
for (;;) {
nready = poll(client, maxi + 1, -1); //阻塞等待请求到达
//通过listenfd状态判断是否有客户端连接请求，如有则建立连接
if (client[0].revents & POLLRDNORM) {
clilen = sizeof(cliaddr);
connfd = Accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&clilen);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
//将accept返回的connfd存放到client[]中的空闲位置
for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++){
if (client[i].fd < 0) {
client[i].fd = connfd;
break;
}
}
if (i == OPEN_MAX)
perr_exit("too many clients");
client[i].events = POLLRDNORM; //设置刚刚返回的connfd，监控读事件
if (i > maxi) //更新client[]中最大元素下标
maxi = i;
if (--nready <= 0) //若无就绪事件,回到poll阻塞
continue;
}
//检测client[]，处理有就绪事件的文件描述符
for (i = 1; i <= maxi; i++){
if ((sockfd = client[i].fd) < 0)
continue;
if (client[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {
if ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) < 0) {
//比较errno，若为RST则表示连接中断
if (errno == ECONNRESET){
printf("client[%d] aborted connection\n", i);
Close(sockfd);
client[i].fd = -1;
}
else
perr_exit("read error");
}
else if (n == 0) {
//连接由客户端关闭
printf("client[%d] closed connection\n", i);
Close(sockfd);
client[i].fd = -1;
}
else {
//若成功读取数据，则对数据进行操作
for (j = 0; j < n; j++)
buf[j] = toupper(buf[j]);
Writen(sockfd, buf, n);
}
//当就绪文件描述符数量为0时，终止循环
if (--nready <= 0)
break;
}
}
}
return 0;
}
poll_c.c //客户端
1#include <stdio.h>
2#include <string.h>
3#include <unistd.h>
4#include <netinet/in.h>
5#include "wrap.h"
6#define MAXLINE 80 //缓冲数组大小
7#define SERV_PORT 8000 //端口号
8int main()
9{
10 struct sockaddr_in servaddr;
11 char buf[MAXLINE];
12 int sockfd, n;
13 sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
14 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
15 servaddr.sin_family = AF_INET;
16 inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
17 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
18 Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
19 while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
20 Write(sockfd, buf, strlen(buf));
21 n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
22 if (n == 0)
23 printf("the other side has been closed.\n");
24 else
25 Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
26 }
27 Close(sockfd);
28 return 0;
}
3 epoll
对某个网页的服务器来说，多路连接中活跃用户的数量可能远远小于连接的总数。假如使用select或poll模型搭建此种类型的服务器，对服务器而言，大部分的时间都浪费在了毫无意义的轮询中，真正处理请求的时间反而少之又少。
Linux系统中通常使用epoll模型搭建这种活跃连接较少的服务器。
epoll模型采用基于事件的通知方式，事先为建立连接的文件描述符注册事件，一旦该文件描述符就绪，内核会采用类似callback的回调机制，将文件描述符加入到epoll的指定的文件描述符集中，之后进程再根据该集合中文件描述符的数量，对客户端请求逐一进行处理。
说明：
（1）epoll中的文件描述符集只存储了就绪的文件描述符，服务器进程无需再扫描所有已连接的文件描述符；
（2）epoll机制使用内存映射机制（类似共享内存），不必再将内核中的文件描述符集复制到内存空间；
（3）epoll机制不受进程可打开最大文件描述符数量的限制（只与系统内存有关），可连接远超过默认FD_SETSIZE的进程。
linux系统中提供了几个与实现epoll机制相关的系统调用：
- epoll_create()：创建epoll句柄；
- epoll_ctl()：为epoll注册事件；
- epoll_wait()：等待epoll句柄中所监控的事件发生。
3.1 epoll_create()
epoll_create()函数存在于函数库sys/poll.h中，其声明如下：
int epoll_create(int size);
该函数用于创建一个epoll句柄，并请求内核为该实例后期需存储的文件描述符及对应事件预先分配存储空间。
- 参数size为在该epoll中可监听的文件描述符的最大个数。
- 若该函数调用成功，将返回一个用于引用epoll的句柄；若调用失败，则返回-1，并设置errno。
注意：当所有与该epoll相关的文件描述符都关闭后，内核会销毁epoll实例并释放相关资源，但若epoll句柄不再被使用，用户应主动调用close()函数将其关闭。
3.2 epoll_ctl()
epoll_ctl()函数存在于函数库sys/poll.h中，其声明如下：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll_ctl()函数epoll的事件注册函数，用于将文件描述符添加到epoll的文件描述符集中，或从集合中删除指定文件描述符。
- （1）参数epfd为函数epoll_create()返回的epoll句柄；
- （2）参数op表示epoll_ctl()的动作，该动作的取值由三个宏指定，这些宏及其含义分别如下：
EPOLL_CTL_ADD：表示epoll_ctl()将会在epfd中为新fd注册事件；
EPOLL_CTL_MOD：表示epoll_ctl()将会修改已注册的fd监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：表示epoll_ctl()将会删除epfd中监听的fd。 - （3）参数fd用于指定待操作的文件描述符；
- （4）参数event用于设定要监听的事件，该参数是struct epoll_event类型的指针，用于传入struct epoll_event结构体类型的数组，其类型定义如下：
struct epoll_event {
__uint32_t events; //epoll事件
epoll_data_t data; //用户数据变量
};
events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET : 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的.
EPOLLONESHOT：只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继续监听这个socket的话, 需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
- 若epoll_ctl()函数调用成功时会返回0；若调用失败，则返回-1，并设置errno。
3.3 epoll_wait()
epoll_wait()函数存在于函数库sys/epoll.h中，其声明如下：
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
该函数用于等待epoll句柄epfd中所监控事件的发生，当有一个或多个事件发生或等待超时后epoll_wait()返回。
- 参数epfd：为epoll_create()函数返回的句柄；
- 参数events：指向发生epoll_create()调用时系统事先预备的空间，当有监听的事件发生时，内核会将该事件复制到此段空间中；
- 参数maxevents：表示events的大小，该值不能超过调用epoll_create()时所传参数size的大小；
- 参数timeout：单位为毫秒，用于设置epoll_wait()的工作方式：若设置为0则立即返回，设置为-1则使epoll无限期等待，设置为大于0的值表示epoll等待一定的时长。
- 若epoll_wait()函数调用成功时返回就绪文件描述符的数量；若等待超时后并无就绪文件描述符则返回0；若调用失败则返回-1，并设置errno。
【案例】使用epoll模型搭建多路I/O转接服务器，使服务器可接收客户端数据，并将接收到的数据转为大写，写回客户端；使客户端可向服务器发送数据，并将服务器返回的数据打印到终端。
服务器端epoll_s.c
1#include <stdio.h>
2#include <stdlib.h>
3#include <string.h>
4#include <netinet/in.h>
5#include <arpa/inet.h>
6#include <sys/epoll.h>
7#include <errno.h>
8#include "wrap.h"
9#define MAXLINE 80 //缓冲数组大小
10#define SERV_PORT 8000 //端口号
11#define OPEN_MAX 1024 //最大打开文件描述符数量
12int main()
13{
14 int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;
15 int nready, efd, res;
16 ssize_t n;
17 char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];
18 socklen_t clilen;
19 int client[OPEN_MAX];
20 struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;
21 struct epoll_event tep, ep[OPEN_MAX];
22 listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
23 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
24 servaddr.sin_family = AF_INET;
25 servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
26 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
27 Bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
28 Listen(listenfd, 20);
29 //初始化client集合
30 for (i = 0; i < OPEN_MAX; i++)
31 client[i] = -1;
32 maxi = -1; //初始化maxi
33 efd = epoll_create(OPEN_MAX); //创建epoll句柄
34 if (efd == -1)
35 perr_exit("epoll_create");
36 //初始化tep
37 tep.events = EPOLLIN;
38 tep.data.fd = listenfd;
39 //为服务器进程注册事件（listenfd）
40 res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &tep);
41 if (res == -1)
42 perr_exit("epoll_ctl");
43 for (;;) {
44 nready = epoll_wait(efd, ep, OPEN_MAX, -1);//阻塞监听
45 if (nready == -1)
46 perr_exit("epoll_wait");
47 //处理就绪事件
48 for (i = 0; i < nready; i++) {
49 if (!(ep[i].events & EPOLLIN))
50 continue;
51 //若fd为listenfd，表示有连接请求到达
52 if (ep[i].data.fd == listenfd) {
53 clilen = sizeof(cliaddr);
54 connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr,
55 &clilen);
56 printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET,
57 &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
58 ntohs(cliaddr.sin_port)); //字节序转换
59 //将accept获取到的文件描述符保存到client[]数组中
60 for (j = 0; j < OPEN_MAX; j++)
61 if (client[j] < 0) {
62 client[j] = connfd;
63 break;
64 }
65 if (j == OPEN_MAX)
66 perr_exit("too many clients");
67 if (j > maxi)
68 maxi = j; //更新最大文件描述符
69 tep.events = EPOLLIN;
70 tep.data.fd = connfd;
71 //为新建立连接的进程注册事件
72 res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &tep);
73 if (res == -1)
74 perr_exit("epoll_ctl");
75 }
76 else {
//若fd不等于listenfd，表示就绪的是各路连接
77 sockfd = ep[i].data.fd;
78 n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
79 if (n == 0) {
//若读取的字符个数为0表示对应客户端进程将关闭连接
80 for (j = 0; j <= maxi; j++) {
81 if (client[j] == sockfd) {
82 client[j] = -1;
83 break;
84 }
85 }
86 //取消监听
87 res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
88 if (res == -1)
89 perr_exit("epoll_ctl");
90 Close(sockfd); //服务器端关闭连接
91 printf("client[%d] closed connection\n", j);
92 }
93 else {
94 for (j = 0; j < n; j++)
95 buf[j] = toupper(buf[j]);
96 Writen(sockfd, buf, n);
97 }
98 }
99 }
100 }
101 close(listenfd);
102 close(efd);
103 return 0;
104}
客户端epoll_c.c
1#include <stdio.h>
2#include <string.h>
3#include <unistd.h>
4#include <netinet/in.h>
5#include "wrap.h"
6#define MAXLINE 80 //缓冲数组大小
7#define SERV_PORT 8000 //端口号
8int main()
9{
10 struct sockaddr_in servaddr;
11 char buf[MAXLINE];
12 int sockfd, n;
13 sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
14 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
15 servaddr.sin_family = AF_INET;
16 inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
17 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
18 Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
19 while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
20 Write(sockfd, buf, strlen(buf));
21 n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
22 if (n == 0)
23 printf("the other side has been closed.\n");
24 else
25 Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
26 }
27 Close(sockfd);
28 return 0;
29}
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