【Linux C | I/O模型】IO复用 | poll、ppoll函数详解

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⏰发布时间⏰：2024-02-02 13:51:20

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目录

  • 🎄一、概述
  • 🎄二、poll 函数介绍
  • 🎄三、poll 函数使用步骤
  • 🎄四、poll 函数使用例子
  • 🎄五、ppoll 函数及例子
  • 🎄六、总结

在这里插入图片描述

🎄一、概述

在Unix / Linux系统中，有五种IO模型：阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、复用式I/O模型、信号驱动式I/O模型、异步I/O模型。其中，复用式I/O模型的实现方式之一就是使用poll函数来阻塞等待内核准备好数据，等数据准备好了之后，再通知应用层的进程调用IO操作函数来获取数据。

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下面将介绍poll函数以及poll函数的使用方法。

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🎄二、poll 函数介绍

poll 函数原型：

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

poll函数与select函数有类似的任务：它等待一组文件描述符中的一个描述符的I/O操作准备就绪。需要了解select函数的，可以看文章：IO复用 | select、pselect函数详解。

参数说明：

  • fds：传入传出参数，指向struct pollfd类型数组的首元素，每个数组元素指定一个描述符以及对其关心的状态，关于这个结构体的说明在本小节后面阐述。
  • nfds：指明fds指向的数组元素个数。
  • timeout：该参数指定poll阻塞等待文件描述符就绪的毫秒数。会被四舍五入到系统时钟粒度。这个参数有三种可能：
    • 1、timeout设置为负数：一直阻塞等待，直到有描述符准备就绪；
    • 2、timeout设置为 0：不等待，检查描述符后直接返回。
    • 3、timeout设置为正数：阻塞等待timeout设置的毫秒数，期间有描述符准备就绪就返回，没有就等到时间结束返回。

返回值：成功返回已准备就绪的描述符个数；超时返回0；失败返回-1。

看完上面poll函数的介绍，可以发现，与select不同的是，poll函数不是为每个状态构造一个描述符集，而是构造一个struct pollfd结构体的数组，每个数组元素指定一个描述符以及对其关心的状态。当成功返回时，内核也会对该结构体赋值，将准备就绪的描述符和状态给到应用层进程，所以fds参数是传入传出参数。

struct pollfd结构体说明：

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

调用时，fd表示描述符，events字段指明感兴趣的读写事件；
成功返回时，fd表示准备就绪描述符，revents字段指明准备就绪的描述符的状态。

events字段、revents字段取值如下：
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🎄三、poll 函数使用步骤

poll函数的使用步骤主要分成2步：

  • 1、将我们感兴趣的描述符和事件添加到struct pollfd数组，调用poll 函数并指定超时毫秒数；
    #define POLLFDS_NUM	10
struct pollfd pollfds[POLLFDS_NUM];
pollfds[0].fd = listenFd;
pollfds[0].events = POLLIN;int ret = poll(&pollfd, 1, 120 * 1000);
  • 2、查询准备就绪描述符。函数成功返回后，如果返回值大于0，表示准备就绪的描述符个数，需要遍历数组，查看各个元素revents字段表示的事件。
    if(pollfd[0].revents & POLLIN)
{...
}

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🎄四、poll 函数使用例子

下面使用TCP套接字来演示select的使用例子，如果要执行的话，分别保存服务端、客户端代码为poll_tcpSer.c、poll_tcpCli.c，然后执行下面代码编译：

gcc poll_tcpSer.c -o ser 
gcc poll_tcpCli.c -o cli

然后先在一个命令行窗口运行服务端./ser，再重新打开一个命令行窗口运行客户端./cli。下面是服务端的运行结果：
在这里插入图片描述

TCP服务端代码如下：使用poll阻塞等待可读描述符返回。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>#include <sys/poll.h>#define POLLFDS_NUM	11int poll_wait(int listenFd, int connFd[10], int connNum)
{if(connNum >= POLLFDS_NUM){printf("error connNum=%d\n", connNum);return -1;}// 1、准备感兴趣的描述和读事件struct pollfd pollfds[POLLFDS_NUM];pollfds[0].fd = listenFd;pollfds[0].events = POLLIN;int i = 0;for(i=0; i<connNum; i++){pollfds[1+i].fd = connFd[i];pollfds[1+i].events = POLLIN;}int nfds = connNum+1;int ret = poll(pollfds, nfds, 120 * 1000);// 阻塞等待120秒// 2、查询准备就绪描述符if(ret > 0)// 即使有多个fd可读，我们也只第一个准备就绪描述符，其他的下次处理{printf("success, Number of descriptors returned is %d\n", ret);for(i=0; i<nfds; i++){if(pollfds[i].revents & POLLIN){return pollfds[i].fd;}}}else if(ret == 0){printf("poll timeout\n");}return -1;
}int del_connfd(int connFds[10], int connNum, int delFd) // 从connFds数组中删除delFd
{int tmpFds[10]={0,};int i = 0, index = 0;;memcpy(tmpFds, connFds, connNum*sizeof(connFds[0]));for(i=0; i<connNum; i++){if(tmpFds[i] != delFd){connFds[index++] = tmpFds[i];}}return index;
}int main()
{// 1、创建TCP套接字socketint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd<0){perror("socket error" );return -1;}// 2、准备服务端ip和端口struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons (10086);servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 指定ip地址为 INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任一网络接口上接受客户端的连接// 3、绑定 bindif (bind(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){perror("bind error" );return -1;}// 4、监听 listenif(listen(sockfd, 10) != 0){perror("listen error");return -1;}printf("TcpSer sockfd=%d, start listening\n",sockfd);char recvline[256];int connFds[10];int connNum = 0;while(1){int readableFd = poll_wait(sockfd, connFds, connNum);if(readableFd == -1){return -1;}if(readableFd == sockfd)// 监听描述符可读，使用accept获取客户端套接字{printf("listenFd %d is alread to read, calling accept\n", sockfd);int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);if(connfd < 0){perror("accept error" );return -1;}connFds[connNum] = connfd;connNum++;}else // 客户端发数据过来，读取打印{int connfd = readableFd;printf("connfd %d is alread to read\n", connfd);int n = read(connfd, recvline, sizeof(recvline));if(n>0){recvline[n] = 0 ;/*null terminate */printf("recv connfd=%d [%s]\n",connfd,recvline);write(connfd, "Hello,I am tcp server", strlen("Hello,I am tcp server"));}printf("close connfd=%d\n",connfd);close(connfd);connNum = del_connfd(connFds, connNum, connfd);}}// 7、关闭close(sockfd);return 0;
}

TCP客户端代码如下，连接服务端后发送数据、读取数据：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>int main()
{// 1、创建TCP套接字socketint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd<0){perror("socket error" );return -1;}// 2、准备服务端ip和端口struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons (10086);if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr) <= 0) // 设置本机IP为服务端IPperror("inet_pton error");// 3、连接 connectif (connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){perror("connect error");return -1;}// 4、交换数据printf("TcpCli sockfd=%d, send msg\n",sockfd);write(sockfd, "Hello,I am tcp client", strlen("Hello,I am tcp client"));char recvline[256];int n = 0;while ( (n = read (sockfd, recvline, sizeof(recvline))) > 0){recvline[n] = 0 ;/*null terminate */printf("recv[%s]\n",recvline);}if (n < 0)perror("read error" );// 5、关闭printf("close fd %d\n",sockfd);close(sockfd);return 0;
}

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🎄五、ppoll 函数及例子

在Linux系统中还有个ppoll函数，其函数原型如下：

#include <sys/poll.h>
int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,const struct timespec *timeout_ts, const sigset_t *sigmask);

可以看到，和poll基本差不多，但有下面三个区别：

  • 1、poll函数使用的timeout参数是int表示的毫秒数，而ppoll函数使用struct timespec(以秒或纳秒表示)。
  • 2、poll可以更新timeout参数以指示剩余的时间。ppoll的timeout参数声明为const确保其不会更改此参数。
  • 3、ppoll可以选择使用的信号屏蔽字。若sigmask为空，那么在与信号有关的方面，ppoll的运行状况和poll相同。否则，sigmask指向一信号屏蔽字，在调用ppoll时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。

下面将poll函数例子的服务端修改为ppoll函数，且屏蔽掉ctrl+c产生的信号，修改后代码如下，客户端还是用前面的客户端即可：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>#include <sys/poll.h>#include <signal.h>#define POLLFDS_NUM	11int poll_wait(int listenFd, int connFd[10], int connNum)
{if(connNum >= POLLFDS_NUM){printf("error connNum=%d\n", connNum);return -1;}// 1、准备感兴趣的描述和读事件struct pollfd pollfds[POLLFDS_NUM];pollfds[0].fd = listenFd;pollfds[0].events = POLLIN;int i = 0;for(i=0; i<connNum; i++){pollfds[1+i].fd = connFd[i];pollfds[1+i].events = POLLIN;}struct timespec timeout;timeout.tv_sec = 2*60;timeout.tv_nsec= 0;sigset_t sigmask;sigemptyset(&sigmask);sigaddset(&sigmask, SIGINT);  // ctrl + cint nfds = connNum+1;int ret = ppoll(pollfds, nfds, &timeout, &sigmask);// 阻塞等待120秒// 2、查询准备就绪描述符if(ret > 0)// 即使有多个fd可读，我们也只第一个准备就绪描述符，其他的下次处理{printf("success, Number of descriptors returned is %d\n", ret);for(i=0; i<nfds; i++){if(pollfds[i].revents & POLLIN){return pollfds[i].fd;}}}else if(ret == 0){printf("poll timeout\n");}return -1;
}int del_connfd(int connFds[10], int connNum, int delFd) // 从connFds数组中删除delFd
{int tmpFds[10]={0,};int i = 0, index = 0;;memcpy(tmpFds, connFds, connNum*sizeof(connFds[0]));for(i=0; i<connNum; i++){if(tmpFds[i] != delFd){connFds[index++] = tmpFds[i];}}return index;
}int main()
{// 1、创建TCP套接字socketint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd<0){perror("socket error" );return -1;}// 2、准备服务端ip和端口struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons (10086);servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 指定ip地址为 INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任一网络接口上接受客户端的连接// 3、绑定 bindif (bind(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){perror("bind error" );return -1;}// 4、监听 listenif(listen(sockfd, 10) != 0){perror("listen error");return -1;}printf("TcpSer sockfd=%d, start listening\n",sockfd);char recvline[256];int connFds[10];int connNum = 0;while(1){int readableFd = poll_wait(sockfd, connFds, connNum);if(readableFd == -1){return -1;}if(readableFd == sockfd)// 监听描述符可读，使用accept获取客户端套接字{printf("listenFd %d is alread to read, calling accept\n", sockfd);int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);if(connfd < 0){perror("accept error" );return -1;}connFds[connNum] = connfd;connNum++;}else // 客户端发数据过来，读取打印{int connfd = readableFd;printf("connfd %d is alread to read\n", connfd);int n = read(connfd, recvline, sizeof(recvline));if(n>0){recvline[n] = 0 ;/*null terminate */printf("recv connfd=%d [%s]\n",connfd,recvline);write(connfd, "Hello,I am tcp server", strlen("Hello,I am tcp server"));}printf("close connfd=%d\n",connfd);close(connfd);connNum = del_connfd(connFds, connNum, connfd);}}// 7、关闭close(sockfd);return 0;
}

保存为ppoll_tcpSer.c，编译运行后，结果如下，

执行完按ctrl+c无法结束进程，可以用kill -9 pid进程号终止该进程，操作如下：

$ ps aux | grep ser
wkd        51448  0.0  0.0   4212  1436 pts/12   S+   17:09   0:00 ./ser
wkd        51451  0.0  0.1  15960  2092 pts/17   S+   17:10   0:00 grep --color=auto ser
$ kill -9 51448

或者等待ppoll超时后，会处理ctrl+c的信号的，也就退出了

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🎄六、总结

👉本文先是介绍poll函数，然后介绍使用poll的步骤，并给出了使用poll的C语言例子，最后介绍了ppoll函数并给出C语言使用例子。看完有不懂的，可以留意。

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