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深入解析Linux poll()系统调用

news 2025/8/12 12:59:59

🔄 Linux `poll()` 系统调用详解

一、`poll` 是干什么的？

poll 是 Linux（及 POSIX 标准）中用于实现 I/O 多路复用（I/O Multiplexing） 的系统调用，它的核心作用是：

让一个线程能够同时监视多个文件描述符（file descriptors），并等待其中任意一个变为“就绪”状态（可读、可写或出现异常），而无需阻塞在单个 I/O 操作上。

换句话说，poll 实现了“一个线程处理多个 I/O 事件”的能力，是构建并发网络程序的重要工具之一。

它本质上是 select 的改进版，解决了 select 的一些关键限制，同时为后续更高效的 epoll 奠定了基础。

二、为什么需要 `poll`？它解决了什么问题？

1. `select` 的局限性

文件描述符数量限制：select 最多只能监听 1024 个 fd（由 FD_SETSIZE 决定）。
使用位图（bitmap）管理 fd 集合：操作繁琐，需用宏（FD_SET, FD_ISSET 等）。
每次调用必须重置集合：性能开销大，且易出错。
需传入最大 fd + 1：效率低，扫描范围可能很大。

2. `poll` 的解决方案

poll 在设计上直接针对 select 的缺陷进行优化：

✅ 优点：

无 fd 数量硬限制：使用动态数组，理论上只受系统资源限制。
使用数组结构管理 fd：更直观、灵活。
无需重置整个集合结构：只需复用 struct pollfd 数组。
不依赖位图或最大 fd：避免无效扫描。

✅ poll 是 select 到 epoll 之间的重要过渡机制，兼具兼容性与扩展性。

三、`poll` 的函数原型

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

返回值：

成功：返回就绪的文件描述符数量（> 0）
超时：返回 0
出错：返回 -1，并设置 errno

四、参数详解

参数	类型	说明
`fds`	`struct pollfd *`	指向 `pollfd` 结构体数组的指针，每个元素代表一个待监听的 fd。
`nfds`	`nfds_t`（通常是 `unsigned long`）	数组中元素的个数（即要监听的 fd 总数）。
`timeout`	`int`	等待超时时间（毫秒）。决定 `poll` 是阻塞、非阻塞还是限时等待。

五、核心数据结构

1. `struct pollfd` —— 文件描述符事件结构

struct pollfd {int   fd;       // 要监听的文件描述符short events;   // 用户关心的事件类型（输入）short revents;  // 内核返回的就绪事件（输出）};

常见事件类型（`events` 和 `revents`）：

事件	说明
`POLLIN`	数据可读（包括普通数据和优先级数据）
`POLLRDNORM`	普通数据可读（通常与 `POLLIN` 等价）
`POLLRDBAND`	优先级数据可读（带外数据 OOB）
`POLLOUT`	数据可写
`POLLWRNORM`	普通数据可写（通常与 `POLLOUT` 等价）
`POLLERR`	错误发生（自动检测，无需设置 `events`）
`POLLHUP`	对端挂起或关闭连接（hang up）
`POLLNVAL`	文件描述符无效（未打开）

⚠️ 注意：
events：由用户设置，表示关心哪些事件。
revents：由内核填充，表示实际发生的事件。
即使未在 events 中设置 POLLERR 或 POLLHUP，只要发生，revents 中也会包含。

2. `timeout` 参数的三种用法

情况	设置方式	行为
永久阻塞	`timeout = -1`	一直等待，直到有 fd 就绪
非阻塞	`timeout = 0`	立即返回，用于轮询
限时等待	`timeout = 5000`	最多等待 5000 毫秒（5 秒）

六、`poll` 的工作流程（典型用法）

 #include <poll.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#define MAX_FDS 10struct pollfd fds[MAX_FDS];int nfds = 0; // 当前监听的 fd 数量// 假设已有 listen_fd 和一些 conn_fd// 1. 初始化：将监听 socket 加入fds[nfds].fd = listen_fd;fds[nfds].events = POLLIN;nfds++;// 主循环while (1) {// 2. 调用 pollint ready = poll(fds, nfds, 5000); // 等待 5 秒if (ready == -1) {perror("poll");break;} else if (ready == 0) {printf("Timeout: no fd ready\n");continue;}// 3. 遍历所有注册的 fd，检查 reventsfor (int i = 0; i < nfds; i++) {if (fds[i].revents & POLLIN) {if (fds[i].fd == listen_fd) {// 新连接到达int conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);// 将新连接加入 poll 数组fds[nfds].fd = conn_fd;fds[nfds].events = POLLIN;nfds++;} else {// 已连接 socket 有数据可读char buffer[1024];int n = read(fds[i].fd, buffer, sizeof(buffer));if (n > 0) {write(fds[i].fd, buffer, n); // echo} else {// 客户端关闭或出错close(fds[i].fd);// 从数组中移除（可前移覆盖）fds[i] = fds[--nfds];i--; // 重新检查当前位置}}}if (fds[i].revents & POLLHUP) {printf("FD %d hung up\n", fds[i].fd);close(fds[i].fd);fds[i] = fds[--nfds];i--;}if (fds[i].revents & POLLERR) {fprintf(stderr, "Error on FD %d\n", fds[i].fd);close(fds[i].fd);fds[i] = fds[--nfds];i--;}}}

🔁 关键点：
poll 不会修改 events，但会修改 revents。
每次调用后需检查 revents 判断事件类型。
删除 fd 时需手动维护数组（如前移覆盖）。

七、`poll` 解决的核心问题

问题	`poll` 如何解决
`select` 的 1024 fd 限制	使用数组，无硬编码限制
`select` 的位图操作繁琐	使用结构体数组，语义清晰
`select` 需传最大 fd	`poll` 直接传数组长度，无需扫描无效范围
跨平台兼容性	POSIX 标准，支持 Linux、BSD、macOS 等

八、`poll` 的缺点（局限性）

缺点	说明
1. 时间复杂度仍为 O(n)	每次调用需遍历所有注册的 fd，即使只有一个就绪
2. 用户态/内核态拷贝开销	每次调用都要复制整个 `pollfd` 数组到内核
3. 无边缘触发（ET）模式	只支持水平触发（LT），可能重复通知
4. 需手动管理 fd 数组	添加/删除 fd 需维护数组，逻辑复杂
5. 不支持就绪事件批量返回优化	不像 `epoll` 有就绪链表机制

九、现代替代方案

机制	优势
`epoll()` (Linux)	O(1) 通知、支持 ET、高性能，Linux 首选
`kqueue()` (BSD/macOS)	类似 `epoll`，功能强大，支持过滤器机制
`io_uring` (Linux 5.1+)	异步 I/O + 多路复用一体化，下一代标准

✅ 推荐：
Linux 高并发：使用 epoll
跨平台中等并发：使用 poll
学习过渡：poll 是理解 epoll 的良好跳板

十、总结：`poll` 的定位

项目	内容
本质	POSIX I/O 多路复用系统调用
目的	单线程监听多个 fd 的 I/O 事件
核心函数	`poll()` + `struct pollfd`
核心结构	`pollfd` 数组
触发模式	仅支持水平触发（LT）
适用场景	中等并发、跨平台兼容、学习 I/O 复用进阶
不适用场景	超高并发（>1万连接）、极致性能要求
学习价值	理解从 `select` 到 `epoll` 的演进路径