【Linux】从零开始使用多路转接IO --- poll

叫我龙翔

发布于 2024-11-04 08:12:34

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发布于 2024-11-04 08:12:34

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习

碌碌无为，则余生太长；

欲有所为，则人生苦短。

--- 中岛敦《山月记》---

1 前言

上一篇文章我们学习了多路转接中的Select，其操作很简单，但有一些缺陷：

每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合，从接口使用角度来说也非常不便。
每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！
同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。
select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点

而poll方案可以解决其中的两个缺点：

select支持的文件描述符少，poll理论上可以支持无限个文件描述符。
select每次调用接口都需要手动设置fd集合，poll不需要！

那么接下来我们就来看poll是怎样实现的。

1 poll接口介绍

首先poll的作用与select一模一样：等待多个文件描述符！只负责等待！

我们来看看poll接口:

OLL(2)                                                                   Linux Programmer's Manual                                                                   POLL(2)

NAME
       poll, ppoll - wait for some event on a file descriptor

SYNOPSIS
       #include <poll.h>

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

       #define _GNU_SOURCE         /* See feature_test_macros(7) */
       #include <signal.h>
       #include <poll.h>

       int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,
               const struct timespec *tmo_p, const sigset_t *sigmask);

poll接口中只有三个参数：

struct pollfd *fds:这时一个文件描述符数组，其中每个元素是一个结构体，其中包含文件描述符，需要处理的事件类型。
nfds_t nfds:表示文件描述符的数量！
timeout:输入性参数，这里直接采用的是毫秒，不使用结构体！等于0时是非阻塞IO，等于-1时是阻塞IO！
返回值表示是否成功：大于0 即有n个就绪了；等于0表示超时了；小于0就是poll出错了！

我们来看看struct pollfd内部是怎么样的：

struct pollfd {
               int   fd;         /* file descriptor */
               short events;     /* requested events */
               short revents;    /* returned events */
           };

我们对比一下select，select需要传入三个事件集，输入输出性参数，每次都会发生改变！所以才需要每次调用都要进行初始化。而poll使用一个结构体，对于这个文件描述符有两种事件：requested events 与 returned events！输入输出并不互相干扰！那么就解决了select需要不断初始化的问题。

那么事件类型有哪些呢？

宏定义	描述
POLLIN	普通或优先级带数据可读
POLLRDNORM	同POLLIN
POLLRDBAND	数据可读（优先级带数据）
POLLPRI	高优先级数据可读
POLLOUT	普通数据可写
POLLWRNORM	同POLLOUT
POLLWRBAND	数据可写（优先级带数据）
POLLERR	发生错误
POLLHUP	挂起，对方关闭连接
POLLNVAL	描述字不是一个打开的文件

这些都是宏定义，short events;是一个16位位图，可以通过宏定义进行匹配设置！我们想要查看哪些事件，或者有哪些事件就绪了，就都可以通过位运算进行判断就可以了！

通过结构体的两个位图：

用户就可以告诉内核需要帮我们对fd的哪些事件进行等待了
内核也可以通过位图告诉用户fd的哪些事件就绪了！

3 代码编写

我们仅仅需要对select的代码做出一些修改即可：

首先，poll需要一个struct pollfd数组，这里储存需要处理的fd。初始化事遍历进行将对应fd设置为-1，事件设置为0，将listen套接字加入就可以：

	void Initserver()
    {
        // 对数组进行初始化
        for (int i = 0; i < gnum; i++)
        {
            fd_array[i].fd = gdefault;
            fd_array[i].events = 0;
            fd_array[i].revents = 0;
        }
        // 加入监听套接字
        fd_array[0].fd = _listensock->GetSockfd();
        fd_array[0].events = POLLIN;
    }
    //...
    // poll
    struct pollfd fd_array[gnum];

然后对Loop函数进行修改，我们不在需要对数据遍历更新rfds了，这样代码看起来就整洁了许多！

void Loop()
    {
        // 进入服务
        while (true)
        {
            // 创建timeout
            int timeout = 1000;
            // 进行select
            int n = ::poll(fd_array, gnum, timeout);
            switch (n)
            {
            case 0:
                // 超时
                LOG(DEBUG, "timeout \n");
                break;
            case -1:
                // 出错了
                LOG(ERROR, "select error\n");
                break;
            default:
                // 正常
                LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n);
                // 处理事件
                HandlerEvent();
                PrintDebug();
                break;
            }
        }
    }

接下来就是HandlerEvent函数，进行判断的策略依然是遍历，这里只关心读事件：

void HandlerEvent()
    {
        // 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件
        for (int i = 0; i < gnum; i++)
        {
            if (fd_array[i].fd == gdefault)
                continue;
            // 如果有新事件
            if (fd_array[i].revents & POLLIN)
            {
                // 进行判断是scokfd 还是普通fd
                if (fd_array[i].fd == _listensock->GetSockfd())
                {
                    Accepter();
                }
                // 普通fd 进行正常读写
                else
                {
                    HandlerIO(fd_array[i]);
                }
            }
        }
    }

然后就是对于普通套接字和监听套接字的处理，针对数组进行稍微修改即可：

void Accepter()
    {
        // 连接事件就绪
        InetAddr addr;
        int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞
        // 这时会得到一个新连接
        if (sockfd > 0)
        {
            LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());
            // 将新获取的fd加入到数组中
            LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd);
            bool flag = false;
            for (int i = 0; i < gnum; i++)
            {
                if (fd_array[i].fd == gdefault)
                {
                    flag = true;
                    fd_array[i].fd = sockfd;
                    fd_array[i].events = POLLIN;
                    break;
                }
                else
                    continue;
            }
            if (flag == false)
            {
                LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n");
                return;
                // 可以进行扩容
            }
        }
    }
    void HandlerIO(struct pollfd &sp)
    {
        char buffer[1024];
        int n = ::recv(sp.fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
        if (n > 0)
        {
            // 读取到了数据
            buffer[n] = 0;
            std::string echo_str = "[client say]#";
            echo_str += buffer;
            std::cout << echo_str << std::endl;
            // 返回一个报文
            std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>";
            std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
            ret_str += "Content-Type: text/html\r\n";
            ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";
            ret_str += content;
            // echo_str += buffer;
            ::send(sp.fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案
        }
        else if (n == 0)
        {
            // 此时fd退出了
            LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", sp.fd);
            ::close(sp.fd);
            sp.fd = gdefault;
            sp.events = 0;
            sp.revents = 0;
        }
        else
        {
            LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno);
            ::close(sp.fd);
            sp.fd = gdefault;
        }
    }

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