Poll 模块 - I/O 多路复用改进实现

概述

本模块实现了基于 poll() 的 I/O 多路复用服务器。Poll 是 select 的改进版本，解决了 select 的 FD 数量限制问题，在处理大量连接时更加灵活。

Poll vs Select

特性	Select	Poll
跨平台	所有 UNIX 系统	所有 UNIX 系统
FD 数量限制	有 (通常 1024)	无
参数传递	每次需要重新设置 FD_SET	直接传递数组
效率	需要线性扫描 FD_SET	需要线性扫描数组

Poll 系统调用

函数原型

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数说明

参数	说明
fds	pollfd 结构体数组
nfds	数组元素个数
timeout	超时时间（毫秒），-1 表示永久阻塞

返回值

返回值	含义
> 0	就绪 FD 的数量
0	超时
-1	出错

struct pollfd 结构

struct pollfd {
    int   fd;         // 文件描述符
    short events;     // 监控的事件
    short revents;    // 实际发生的事件
};

常用 events 类型

事件	说明
POLLIN	有数据可读
POLLRDNORM	普通数据可读
POLLRDBAND	优先级带数据可读
POLLPRI	紧急数据可读
POLLOUT	写操作不会阻塞
POLLERR	发生错误
POLLHUP	连接挂断
POLLNVAL	无效请求

代码实现解析

初始化 pollfd 数组

struct pollfd fds[1024];
fds[0].fd = sock_fd;           // 第 0 个位置放监听 socket
fds[0].events = POLLRDNORM;     // 监控可读事件

// 其他位置初始化为 -1（表示未使用）
for (i = 1; i < 1024; i++) {
    fds[i].fd = -1;
}

主循环

for (;;) {
    // 等待任一 FD 就绪
    if ((read_num = poll(fds, 1024, -1)) < 0) {
        perror("poll failed.");
    }

    // 处理就绪的 FD
    ...
}

处理新连接

if (fds[0].revents & POLLRDNORM) {
    conn_fd = accept(sock_fd, ...);

    printf("have a new connection: %d.\n", conn_fd);

    // 找到一个空闲位置
    for (i = 1; i < 1024; i++) {
        if (fds[i].fd < 0) {
            fds[i].fd = conn_fd;
            fds[i].events = POLLRDNORM;
            break;
        }
    }

    if (i == 1024) {
        perror("too many clients.");
    }

    if (--read_num <= 0) {
        continue;  // 没有其他就绪的 FD 了
    }
}

处理客户端数据

for (i = 1; i < 1024; i++) {
    int client_fd = fds[i].fd;
    if (client_fd < 0) {
        continue;  // 跳过未使用的位置
    }

    if (fds[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {
        if ((n = read(client_fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
            // 回显数据
            write(client_fd, buf, n);
        } else if (n == 0 || errno == ECONNRESET) {
            // 客户端断开连接
            close(client_fd);
            fds[i].fd = -1;  // 标记为未使用
        } else {
            perror("read failed.");
        }
    }

    if (--read_num <= 0) {
        break;  // 所有就绪的 FD 都已处理
    }
}

Poll 的优势

1. 无 FD 数量限制

Select 受限于 FD_SETSIZE（通常 1024），而 poll 理论上没有限制：

// select
fd_set read_fds;  // 最多 1024 个 FD

// poll
struct pollfd fds[10000];  // 可以监控更多

2. 更清晰的接口

// select - 每次需要重新设置 FD_SET
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(fd1, &read_fds);
FD_SET(fd2, &read_fds);
select(max_fd + 1, &read_fds, ...);

// poll - 直接使用数组
struct pollfd fds[] = {
    {fd1, POLLIN, 0},
    {fd2, POLLIN, 0}
};
poll(fds, 2, -1);

3. 更好的错误处理

if (fds[i].revents & POLLERR) {
    // 处理错误
}
if (fds[i].revents & POLLHUP) {
    // 处理连接挂断
}

Poll 的缺点

缺点	说明
仍需线性扫描	每次仍需遍历整个数组
数组管理	需要手动维护可用位置
性能下降	连接数增加时性能下降

性能对比

假设监控 n 个 FD：

操作	Select	Poll
系统调用	O(n)	O(n)
用户态检查	O(n)	O(n)
FD 限制	1024	无

编译和运行

# 编译
gcc -o server poll.c

# 运行服务器
./server
# listening on port 3000

# 测试连接（另一个终端）
telnet localhost 3000
# 或
nc localhost 3000

测试示例

单连接测试

$ nc localhost 3000
hello
hello              # 服务器回显

多连接测试

# 终端 1
$ nc localhost 3000

# 终端 2
$ nc localhost 3000

# 终端 3
$ nc localhost 3000

连接管理

当前实现使用固定大小数组管理连接：

struct pollfd fds[1024];

查找空闲位置

for (i = 1; i < 1024; i++) {
    if (fds[i].fd < 0) {
        // 找到空闲位置
        fds[i].fd = conn_fd;
        fds[i].events = POLLRDNORM;
        break;
    }
}

标记连接为空闲

close(client_fd);
fds[i].fd = -1;  // -1 表示未使用

注意事项

1. 数组大小管理

   // 当前实现使用固定大小数组
   struct pollfd fds[1024];
   
   // 生产环境建议使用动态数组或链表
   struct pollfd *fds = malloc(max_clients * sizeof(struct pollfd));

2. 处理 -1 FD

   if (fds[i].fd < 0) {
       continue;  // 跳过未使用的位置
   }

3. 提前退出循环

   if (--read_num <= 0) {
       break;  // 所有就绪的 FD 都已处理
   }

适用场景

Poll 适用于以下场景：

1. 中等规模连接：连接数 1000 - 10000
2. 跨平台需求：需要支持多种 UNIX 系统
3. 超过 select 限制：需要监控 > 1024 个 FD

不适用场景

1. 大规模连接：连接数 > 10000，考虑使用 epoll (Linux)
2. 高性能要求：poll 的线性扫描开销较大

下一步学习

• epoll 模块：Linux 上性能最优的解决方案
• Reactor 模式：事件驱动架构设计
• HTTP 服务器：实际应用场景

HTTP 服务器版本

本目录还包含基于 poll 的 HTTP 服务器实现：

cd http-server
mkdir -p build && cd build
cmake ..
make
./http_server 8080

参考资料

• Linux poll 手册
• The C10K problem
• I/O 多路复用技术对比