# 使用poll()代替select()处理多客户连接的TCP服务器实例 > 在网络编程中，使用 select() 处理多客户端的连接是非常常用的方法，select() 是一个非常古老的方法，在大量连接下会显得效率不高，而且其对描述符的数值还有一些限制，Linux内核从 2.1.13 版以后提供了 poll() 替代 select()，本文介绍 poll() 在网络编程中的使用方法，并着重介绍 poll() 在编程行与 select() 的区别，旨在帮助熟悉 select() 编程的程序员可以很容易地使用 poll() 编程，本文提供了一个具体的实例，并附有完整的源代码，本文实例在 ubuntu 20.04 下编译测试完成，gcc 版本号 9.4.0。 ## 1 前言 * 在[『网络编程专栏』][net_category]中，有两篇文章都涉及到了使用 `select()` 处理多个 `socket` 连接： - [《使用select实现的UDP/TCP组合服务器》][article01] - [《TCP服务器如何使用select处理多客户连接》][article02] * Linux 上的另一个系统调用 `poll()`，可以和 `select()` 完成相同的工作，而且通常认为 `poll()` 的效率要高于 `select()`； * 似乎 `select()` 要比 `poll()` 更普及一些，这可能是因为在 Linux 内核 2.0 版以前是不支持 `poll()` 的，只有 `select()`，直到 `2.1.13` 版后才开始既支持 `select()` 也支持 `poll()`； * 另一个导致 `select()` 更加普及的原因可能是大多数的应用程序需要同时处理的 `I/O` 数量并不是很多，使得对性能的要求不高，其实在大量的 `I/O` 处理上，`poll()` 和 `select()` 在性能上的差别还是挺大的； * 本文假定读者已经对 socket 编程和 `select()` 函数有基本的理解，有关这方面的知识请自行参考前面提到的两篇文章，本文不再讨论； * `select()` 和 `poll()` 并不适用于普通文件(指文件系统上的文件)，一个普通文件将永远处于可读或者可写的状态，不管是使用 `select()` 还是 `poll()`，都会一直返回； * 通常情况下，`select()` 和 `poll()` 用于 `socket`、管道等，尽管我们在 `D-Bus` 的文章中也使用了 `select()`，但实际上 `D-Bus` 使用的是 `socket` 或者管道，`D-Bus` 只是将其抽象化了； * `select()` 和 `poll()` 实际上完成的功能非常近似，使用上的差异也不大； * 本文讨论的重点是使用 `poll()` 替代以前使用 `select()` 的程序，会介绍 `poll()` 的使用方法，以及 `poll()` 和 `select()` 在编程上的区别，并最终实现一个使用 `poll()` 的 TCP 服务器； * 尽管普遍认为 `epoll()` 在处理多连接方面表现更加优异，但 `epoll()` 的编程方式与 `select()` 和 `poll()` 有较大区别，所以本文不会讨论 `epoll()` 相关的编程方法； ## 2 poll() 的基本使用方法 * poll() 函数的输入参数中有一个结构数组，结构中包含有一个描述符字段，poll() 函数等待在这些描述符上，当结构数组中的任何一个或多个描述符上有事件发生时，该函数将返回； * poll() 函数的定义如下： ```C #include int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); ``` * `struct pollfd` 的定义 ```C struct pollfd { int fd; /* File descriptor to poll. */ short int events; /* Types of events poller cares about. */ short int revents; /* Types of events that actually occurred. */ }; ``` * 在调用 `poll()` 之前，要先初始化 `fds`； - `fds` 中的 fd 是要监视的文件描述符，可以是文件、`socket`、管道、设备等，比较常用的是在一个 TCP 服务器上监视侦听的 `socket` 以及与多个客户端之间的连接 `socket`； - `fds` 中的 events 是要在这个描述符上监视哪些事件，可监视的事件主要有： + `POLLIN` - 当 socket 上有数据可读时，触发该事件； + `POLLOUT` - 当向 socket 上写入数据不会产生阻塞时，触发该事件； + `POLLPRI` - 当 socket 上有紧急的数据需要读取时，触发该事件； + `POLLERR` - 当 socket 上产生一个异步错误时，触发该事件； + `POLLHUP` - 当 socket 连接已经断开时，触发该事件，该事件仅在输出时有效； + `POLLNVAL` - 无效的请求，通常表示描述符没有打开，触发该事件； + 可以使用 "或" 操作在一个描述符上同时监视多个事件，最常用的监视事件为 `PULLIN` 和 `POLLOUT`，同时监视这两个事件时可以表达为 `POLLIN | POLLOUT`； - `revents` 是实际发生的事件，当 `poll()` 返回时会填充该字段，程序通过这个字段可以判断在这个描述符上发生了什么事件； * `poll()` 函数的第二个参数 `nfds` 是 fds 数组中有效的条目的数量，比如结构数组的 fds 可以容纳的条目最大为 100 个，但只有前 10 个是我们准备监视的描述符，则 `nfds` 应该为 10； * `poll()` 函数的第三个参数 `timeout` 是超时时间，调用 `poll()` 会进入阻塞，等待被监视的描述符产生事件，如果设置了 `timeout` 参数，则阻塞 `timeout` 时间后，即便没有产生事件，`poll()` 函数也会返回； * `timeout` 的时间单位为毫秒； - 将 `timeout` 设为 -1 表示永久等待，直至有事件产生； - 将 `timeout` 设为 0，`poll()` 将立即返回，不管是否有事件产生； * `poll()` 的返回值有三种情况： - 当有事件产生时，`poll()` 返回一个大于 0 的正整数，表示有多少个文件描述符上有事件产生，程序需要遍历 fds 数组，查看结构中的 revent 字段来判断那个文件描述符上产生了哪些事件； - 当没有事件产生，`poll()` 仅仅是因为超时返回时，`poll()` 返回 0； - 当出现错误时，`poll()` 返回 -1，此时，errno 中存放有错误代码，详情可以查看在线手册 `man 2 poll`； * `poll()` 检测到 `socket` 有数据可读时，如果读出的数据长度为 0 时，认为该 `socket` 连接已经断开； * poll() 的返回值有四种可能： - **0**：表示调用超时； - **-1**：表示调用失败，errno 中为错误代码； - **1**：表示在被监听的描述符中，只有一个描述符上有事件产生，等待处理； - **1+**：表示在被监听的描述符中，有多个描述符上有等待处理的事件，返回值为等待处理的描述符的数量； ## 3 poll() 和 select() 在编程上的区别 * 通常情况下，poll() 的代码会比 select() 简单一些； * 先看一下 select() 编程的代码： ```C fd_set fds; FD_ZERO(fd_set); FD_SET(500, &fds); struct timeval tv; tv.tv_sec = 5; tv.tv_usec = 0; if (select(501, &fds, NULL, NULL, &tv)) { if (FD_ISSET(500, &fds)) { ... } } ``` * 再看一下完成同样工作的 poll() 编程的代码： ```C struct pollfd pfd[10]; pfd[0].fd = 500; pfd[0].events = POLLIN; if (poll(&pfd, 1, 5000)) { if (pfd.revents & POLLIN) { ... } } ``` * 看上去显然使用 `poll()` 编程要简单一些； * `select()` 在标识文件描述符时使用的位掩码，`bit 0` 表示描述符为 0，`bit 1` 表示描述符为 1，以此类推，当表示某个描述符的 bit 为 1 时，表示这个描述符需要被监视，如果我们仅需要监视数值为 500 的文件描述符，此时，`bit 0~499` 为 0，`bit 500` 为 1； * 所以，在使用 `select()` 时，即便我们只需要监视描述符为 500 的 socket，实际上，仍要检查描述符 `0~499` 的位掩码，当所要监视的描述符值比较大时，运行效率肯定会受到影响； * 在使用 `select()` 时，使用三个描述符集来监视读、写和意外事件，当一个描述符既需要监视读又需要监视写时，是需要在两个描述符集中设置相应的描述符的； * 另外，使用 `select()` 监视描述符时，对描述符的最大值是有限制的，在 Linux 下允许的描述符的最大值为 1024，这一点显然也是 `select()` 的麻烦之处，当要监视的描述符的值大于 1024 时，将无法使用 `select()`； * 使用 `poll()` 则不需要设置描述符集，而是需要为每一个需要监视的描述符建立一个结构：`struct pollfd`，这个结构中的 fd 字段指定要监视的描述符，events 字段可以设置多个要监视的事件，如果对一个描述符既要监视其"读"事件，也要监视其"写"事件，只需在这个 events 字段上设置两个事件即可，像下面这段代码 ```C ...... struct pollfd *fds; ... fds[i].fd = fd; fds[i].events = POLLIN | POLLOUT; ...... ``` * 由此可见，使用 `poll()` 监视描述符不会有最大值不能超过 1024 的限制，在监视效率上也会比 `select()` 要高一些； * 在 `select()` 编程中，通常每次调用 `select()` 之前需要重新设置描述符集，像下面代码，这段代码中 client_socket 数组中存放着连接到服务器的客户端的 socket，listen_socket 为服务器上正在侦听的 socket： ```C while (1) { FD_ZERO(&readfds); FD_SET(listening_socket, &readfds); max_fd = listening_socket; for (i = 0 ; i < MAX_CLIENTS; i++) { if (client_socket[i] > 0) { FD_SET(client_socket[i], &readfds); } if (client_socket[i] > max_fd) max_fd = client_socket[i]; } rc = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL); ...... } ``` * 但其实 `poll()` 编程中也有类似的困扰，`poll()` 使用一个结构数组 `struct pollfd *` 来标识需要监视的描述符及其事件，但当一个客户连接中止时，尽管可以将结构数组中的 fd 字段置为 0，但 `poll()` 并不会自动地跳过 fd 字段为 0 的数组项，所以我们在启动 `poll()` 之前仍然有必要重新整理整个结构数组，以保证其中没有已经不再使用的描述符，像下面代码段，fds_size 为结构数组 fds 中的有效元素数，从中删除所有的 fd 字段为 0 的元素： ```C ...... struct pollfd *fds; ... while ((fds_size > 0) && (fds[fds_size - 1].fd == 0)) fds_size--; if (fds_size > 1) { int i = fds_size - 1; while (i > 0) { if (fds[i - 1].fd == 0) { fds[i - 1].fd = fds[fds_size - 1].fd; fds[i - 1].events = fds[fds_size - 1].events; fds[i - 1].revents = 0; fds[fds_size - 1].fd = 0; while ((fds_size > 0) && (fds[fds_size - 1].fd == 0)) fds_size--; if (fds_size < 2) break; } i--; } } ...... ``` * 在 `poll()` 编程中，当有事件产生时，需要遍历整个结构数组，检查每个数组结构中的 revents 字段，找到需要处理的描述符及其事件，这一点和 `select()` 编程类似，`select()` 返回后，需要检查所有被监控的描述符，以找到哪个描述符需要处理； ## 4 poll() 编程的基本步骤 1. 使用 `socket()` 建立需要侦听的 socket； 2. 使用 `setsockopt()` 设置 socket 为可重复使用； 3. 使用 `ioctl()` 设置 socket 为非阻塞； 4. 使用 `bind()` 绑定服务器的地址和端口； 5. 使用 `listen()` 开始侦听端口； * 以上步骤和使用 `select()` 编程时一致的； 7. 初始化结构数组 `struct pollfd *`，将服务器侦听 socket 加入到数组中； 8. 启动 `poll()`； - 返回 0 表示调用超时，可以重新启动 `poll()`； - 返回 `<0` 表示 `poll()` 出错，errno 中为错误代码； - 返回 `>0` 表示有需要处理的 socket，进行处理； > 要处理的 socket 通常又分为两种，一种是正在侦听的 socket，如果有 `POLLIN` 事件表示有客户端发出了连接请求，使用 `accept()` 接受连接将产生一个新的 socket，这个新的 socket 要加入到结构数组 `struct pollfd *` 中，以便在 `poll()` 中可以被监视；另一类 socket 就是已经和服务器建立连接的一个或多个客户端的 socket，这类 socket 有 POLLIN 事件产生可能是有数据发送回来，也可能是因为连接中断，在调用 `recv()` 从 socket 中接收数据时，如果返回值 `>0` 表示确实有数据发送回来，要做出相应处理，如果返回值为 0 则表示这个连接已经中断，此时应该及时将该 socket 从结构数组 `struct pollfd *` 中清除，避免在调用 `poll()` 时给 `poll()` 增加额外负担； 9. 整理结构数组 `struct pollfd *`，然后再次启动 `poll()`； > 在处理 poll() 函数的返回结果时，当有新的客户端连接请求被接受时，会有新的 socket 需要添加到结构数组 `struct pollfd *` 中，当有客户端 socket 连接中断时，需要将这个已经失效的 socket 从结构数组 `struct pollfd *` 中删除，所以在处理完 poll() 的返回结果后需要对结构数组 `struct pollfd *` 进行整理，将新的 socket 添加进来，将失效的 socket 删除；不能简单地把结构数组 `struct pollfd *` 中的 fd 字段或者 events 字段置 0 来表示一个失效的 socket，poll() 并不会自动跳过这样标识的结构数组项； ## 5 实例：一个使用 poll() 的 TCP 服务器 * **源程序**：[poll-server.c][src01](**点击文件名下载源程序，建议使用UTF-8字符集**)演示了使用 poll() 完成的一个 TCP 服务器； * 编译：`gcc -Wall -g poll-server.c -o poll-server` * 运行：`./poll-server` * 该程序是一个多进程程序，程序会建立一个服务端进程和若干个(默认为 3 个，由宏 MAX_CONNECTIONS 控制)客户端进程； * 服务端进程侦听在端口 8888 上，等待客户端进程的连接； * 启动 `poll()` 监视 socket； * 服务端在接受客户端请求后，将新连接的 socket 加入到结构数组中，并向客户端发送一条欢迎信息； * 客户端在连接建立以后向服务端发送一条信息，服务端在收到客户端信息后会将该信息原封不动地发送回客户端； * 客户端判断收到的信息与自己发出的信息一样后，主动关闭连接，然后退出进程； * 服务端发现连接中断后，将从结构数组中删除该失效 socket，然后继续启动 `poll()` 监视 socket； * 服务进程中拦截了 SIGINT 信号，这个信号可以使用 `ctrl + c` 产生，服务进程在收到这个信号后将退出进程； * 主进程监视客户端进程的退出，当所有客户端进程都已退出后，向服务端进程发送 SIGINT 信号，使服务端进程退出，整个程序运行结束。 * 运行截图： ![Screenshot of poll-server][img01] ## 6 结论 * `poll()` 和 `select()` 编程有很多相似的地方，除了 `select()` 使用描述符集而 `poll()` 使用结构数组外，其它方面非常相似，对熟悉 `select()` 编程的程序员而言，使用 `poll()` 替换 `select()` 编写服务端程序并不困难； * 在调用 `select()` 之前，需要初始化描述符集，在调用 `poll()` 之前，需要初始化结构数组； * 在 `select()` 返回后，需要使用 `FD_ISSET()` 遍历描述符集以判断哪个描述符有事件产生，在 `poll()` 返回后，需要遍历结构数组中的 revents 字段，以判断哪个描述符有事件产生； * 在接受连接请求、接收、发送数据，判断错误以及连接是否中断方面，使用 `select()` 和 `poll()` 是一样的； * 在处理完 select() 的返回后，需要重新初始化描述符集才可以再次调用 `select()`，在处理完 `poll()` 的返回后，需要重新整理结构数组后才可以再次调用 `poll()`。 ## **欢迎订阅 [『网络编程专栏』](https://blog.csdn.net/whowin/category_12180345.html)** ------------- **欢迎访问我的博客：https://whowin.cn** **email: hengch@163.com** ![donation][img_sponsor_qrcode] [img_sponsor_qrcode]:https://blog.whowin.net/images/qrcode/sponsor-qrcode.png [net_category]: https://blog.csdn.net/whowin/category_12180345.html [article01]: https://blog.csdn.net/whowin/article/details/129410476 [article02]: https://blog.csdn.net/whowin/article/details/129685842 [src01]: https://gitee.com/whowin/whowin/blob/blog/sourcecodes/180021/poll-server.c [img01]: https://blog.whowin.net/images/180021/screenshot-of-poll-server.png