🔄 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 |
📌 一句话总结： poll 是 select 的现代化替代，它通过数组结构摆脱了 fd 数量限制，提升了灵活性和可移植性，虽然性能仍不及 epoll，但它是构建跨平台高并发网络程序的重要工具，也是理解现代 I/O 复用机制的关键一环。
🔥 进阶建议：
对比
poll与epoll的系统调用开销实现一个基于
poll的简单 HTTP 服务器理解
poll在libevent、Redis等项目中的使用
掌握 poll，你就掌握了从传统 I/O 模型迈向高性能网络编程的中间桥梁。
