【计算机网络】非阻塞IO——poll实现多路转接

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一、poll实现多路转接

在网络编程或多路 IO 编程中，我们经常需要同时监听多个文件描述符（fd），比如多个客户端的 socket 连接。这时，poll 就登场了。
poll 是 Linux 提供的一种 IO 多路复用机制，用于监听多个 fd 上的读写等事件，一旦有就绪，立刻通知我们处理。

poll的参数

int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);
  1. 参数struct pollfd fds[]是关心的文件描述符数组，每一个元素代表一个要监听的 fd 及其感兴趣的事件和返回的事件。
struct pollfd {int fd;         // 要监听的文件描述符short events;   // 感兴趣的事件（由你设置）short revents;  // 实际返回的事件（由内核设置）
};
  1. 参数 nfds_t nfds这个是 fds[] 数组里有效元素的数量，简单说就是你监听几个文件描述符就写几。
  2. int timeout
    单位是 毫秒（ms），表示阻塞多久。timeout > 0：等待指定毫秒数后返回、timeout == 0：立即返回（非阻塞）、timeout < 0：永远阻塞，直到有事件发生。

函数返回值

  • 0：就绪的文件描述符数量
  • 0：超时，没有任何事件发生
  • <0：出错（比如信号中断）

常用事件（events/revents）取值

POLLIN     // 有数据可读
POLLOUT    // 可以写数据而不会阻塞
POLLERR    // 错误（由 revents 设置）
POLLHUP    // 对端关闭连接
POLLNVAL   // 描述符非法

poll的缺点

  1. 每次调用都要传入整个 fd 列表
    poll 的 pollfd 是个数组，内核不会保存状态，每次都得重新传。
    如果你有上千个连接，那每次 poll() 都会把这上千个 fd 重新复制到内核 → 代价大。
  2. 线性扫描效率低
    poll 返回的是“多少个 fd 就绪”，但你要线性扫描整个数组找出来。
    比如你监听 1000 个连接，但只有 1 个可读，你得从 0 扫到 999 才找到它。
  3. fd 数量仍有限制
    虽然 poll 相比 select 不再限制 1024 个，但：
    它还是受限于内核最大文件描述符数量（ulimit -n，比如 65535）
    每个 pollfd 占用空间较大，更不适合极大并发
  4. 无事件通知机制
    poll 只能“等和扫”，没有像 epoll 的 EPOLLONESHOT、EPOLLET（边缘触发）那种高级机制。
    没法在事件处理完后说“我暂时不关注这个 fd 了”。

二、poll实现非阻塞服务器

#pragma once
#include "Common.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "Socket.hpp"
#include <sys/poll.h>using namespace std;
using namespace LogModule;
using namespace SocketModule;class PollServer
{const static int size = 4096;const static int defaultfd = -1;public:PollServer(int port): _isrunning(false), _listensockfd(make_unique<TcpSocket>()){_listensockfd->BuildTcpSocketServer(port); // 构造TCP服务器for (int i = 0; i < size; i++){_fds[i].fd = defaultfd;_fds[i].events = 0;_fds[i].revents = 0;}_fds[0].fd = _listensockfd->FD();_fds[0].events = POLLIN;}void Start() // 服务器启动{int timeout = 1000; // 1000毫秒_isrunning = true;while (true){int n = poll(_fds, size, timeout); // 多路转接只关系读事件switch (n){case -1:LOG(LogLevel::ERROR) << "poll error"; // 异常break;case 0:LOG(LogLevel::WARNING) << "poll timeout"; // 超时default:LOG(LogLevel::INFO) << "事件就绪"; // 读事件就绪Dispatcher();                      // 派发break;}}}void Dispatcher() // 事件派发{for (int i = 0; i < size; i++){if (_fds[i].fd == defaultfd) // 跳过continue;if (_fds[i].revents & POLLIN) // 是读就绪{if (_fds[i].fd == _listensockfd->FD()){// listen 套接字Accept();}else{// 普通  套接字Recv(i);}}}}void Accept(){InetAddr client;int sockfd = _listensockfd->AcceptOrDie(&client);LOG(LogLevel::DEBUG) << "accept a new client" << client.StringAddr();int pos = 0;for (; pos < size; pos++){if (_fds[pos].fd == defaultfd)break; // 数组中找到空位}if (pos == size){LOG(LogLevel::WARNING) << "poll server full";close(sockfd);}else{_fds[pos].fd = sockfd;_fds[pos].events = POLLIN;_fds[pos].revents = 0;}}void Recv(int pos) // 读数据{char buffer[1024];ssize_t n = recv(_fds[pos].fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0); // 收信息if (n > 0){buffer[n] = 0;cout << "client say@ " << buffer << endl;}else if (n == 0) // 客户端退出{LOG(LogLevel::INFO) << "client quit";_fds[pos].fd = defaultfd;_fds[pos].events = 0;_fds[pos].revents = 0;close(_fds[pos].fd);}else // 出现错误 异常{LOG(LogLevel::FATAL) << "recv error";_fds[pos].fd = defaultfd;_fds[pos].events = 0;_fds[pos].revents = 0;close(_fds[pos].fd);}}~PollServer(){}private:unique_ptr<Socket> _listensockfd;bool _isrunning;struct pollfd _fds[size];
};

构造

//私有成员变量
private:unique_ptr<Socket> _listensockfd;bool _isrunning;struct pollfd _fds[size];
//构造PollServer(int port): _isrunning(false), _listensockfd(make_unique<TcpSocket>()){_listensockfd->BuildTcpSocketServer(port); // 构造TCP服务器for (int i = 0; i < size; i++){_fds[i].fd = defaultfd;_fds[i].events = 0;_fds[i].revents = 0;}_fds[0].fd = _listensockfd->FD();_fds[0].events = POLLIN;}

私有成员变量中，把关心文件描述符的数组开好，构造服务器的时候遍历这个数组，把要监听的文件描述符设置进去，把要关系的状态设置为关系读事件。

服务器启动

void Start() // 服务器启动{int timeout = 1000; // 1000毫秒_isrunning = true;while (true){int n = poll(_fds, size, timeout); // 多路转接只关系读事件switch (n){case -1:LOG(LogLevel::ERROR) << "poll error"; // 异常break;case 0:LOG(LogLevel::WARNING) << "poll timeout"; // 超时default:LOG(LogLevel::INFO) << "事件就绪"; // 读事件就绪Dispatcher();                      // 派发break;}}}

用poll函数，进行多路转接，事件就绪就派发任务。

事件派发

void Dispatcher() // 事件派发{for (int i = 0; i < size; i++){if (_fds[i].fd == defaultfd) // 跳过continue;if (_fds[i].revents & POLLIN) // 是读就绪{if (_fds[i].fd == _listensockfd->FD()){// listen 套接字Accept();}else{// 普通  套接字Recv(i);}}}}

对文件描述符数组，进行遍历。如果不是合法位置(没放文件描述符)就跳过这个位置。如果是读就绪然后判断是监听套接字合适普通套接字。

收到客户端的连接accept

void Accept(){InetAddr client;int sockfd = _listensockfd->AcceptOrDie(&client);LOG(LogLevel::DEBUG) << "accept a new client" << client.StringAddr();int pos = 0;for (; pos < size; pos++){if (_fds[pos].fd == defaultfd)break; // 数组中找到空位}if (pos == size){LOG(LogLevel::WARNING) << "poll server full";close(sockfd);}else{_fds[pos].fd = sockfd;_fds[pos].events = POLLIN;_fds[pos].revents = 0;}}

主要是收到客户端的连接，创建了accept的套接字，要把这个套接字放到数组中。在文件描述符数组中找到空位，把这个acceptfd设置进去。

读数据

void Recv(int pos) // 读数据{char buffer[1024];ssize_t n = recv(_fds[pos].fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0); // 收信息if (n > 0){buffer[n] = 0;cout << "client say@ " << buffer << endl;}else if (n == 0) // 客户端退出{LOG(LogLevel::INFO) << "client quit";_fds[pos].fd = defaultfd;_fds[pos].events = 0;_fds[pos].revents = 0;close(_fds[pos].fd);}else // 出现错误 异常{LOG(LogLevel::FATAL) << "recv error";_fds[pos].fd = defaultfd;_fds[pos].events = 0;_fds[pos].revents = 0;close(_fds[pos].fd);}

这时候，读数据已经是非阻塞的了，客户端退出和异常要把文件描述符数组的内容清空，然后关闭文件描述符。

在这里插入图片描述
源码：poll多路转接

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