Linux Poll 使用方法和实现

Linux socket之四:使用POLL机制处理多连接

        使用select函数可以处理socket多连接的问题（select的用法参见：http://blog.csdn.net/zhandoushi1982/article/details/5070107），使用POLL也可以实现同样的功能，且调用方式更加简单。原型是：

struct pollfd {
 int fd;        //文件描述符
 short events;  //要求查询的事件掩码
 short revents; //返回的事件掩码
};
int poll(struct pollfd *ufds, unsigned int nfds, int timeout);

         poll函数使用pollfd类型的结构来监控一组文件句柄，ufds是要监控的文件句柄集合，nfds是监控的文件句柄数量，timeout是等待的毫秒数，这段时间内无论I/O是否准备好，poll都会返回。timeout为负数表示无线等待，timeout为0表示调用后立即返回。执行结果：为0表示超时前没有任何事件发生；-1表示失败；成功则返回结构体中revents不为0的文件描述符个数。pollfd结构监控的事件类型如下：

#define POLLIN 0x0001
#define POLLPRI 0x0002
#define POLLOUT 0x0004
#define POLLERR 0x0008
#define POLLHUP 0x0010
#define POLLNVAL 0x0020

#define POLLRDNORM 0x0040
#define POLLRDBAND 0x0080
#define POLLWRNORM 0x0100
#define POLLWRBAND 0x0200
#define POLLMSG 0x0400
#define POLLREMOVE 0x1000
#define POLLRDHUP 0x2000

      如上是events事件掩码的值域，POLLIN|POLLPRI类似于select的读事件，POLLOUT|POLLWRBAND类似于select的写事件。当events属性为POLLIN|POLLOUT，表示监控是否可读或可写。在poll返回时，即可通过检查revents变量对应的标志位与events是否相同，比如revents中POLLIN事件标志位被设置，则表示文件描述符可以被读取。代码段示例：

int sockfd;             //套接字句柄
struct pollfd pollfds;
int timeout;

timeout = 5000;
pollfds.fd = sockfd;                //设置监控sockfd
pollfds.events = POLLIN|POLLPRI;            //设置监控的事件

for(;;){
    switch(poll(&pollfds,1,timeout)){       //开始监控
    case -1:                    //函数调用出错
        printf("poll error \r\n");
    break;
    case 0:
        printf("time out \r\n");
    break;
    default:                    //得到数据返回
        printf("sockfd have some event \r\n");
        printf("event value is 0x%x",pollfds.revents);
    break;
    }
}

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Linux poll()解析

poll()函数：这个函数是某些Unix系统提供的用于执行与select()函数同等功能的函数，下面是这个函数的声明：

#include

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

参数说明:

fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于 socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select() 函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因 此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况；

nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；

返回值:

>0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；

==0：数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的 socket描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么 poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发 生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去；

-1：  poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno；

如果待检测的socket描述符为负值，则对这个描述符的检测就会被忽略，也就是不会对成员变量events进行检测，在events上注册的事件也会被忽略，poll()函数返回的时候，会把成员变量revents设置为0，表示没有事件发生；

另外，poll() 函数不会受到socket描述符上的O_NDELAY标记和O_NONBLOCK标记的影响和制约，也就是说，不管socket是阻塞的还是非阻塞 的，poll()函数都不会收到影响；而select()函数则不同，select()函数会受到O_NDELAY标记和O_NONBLOCK标记的影 响，如果socket是阻塞的socket，则调用select()跟不调用select()时的效果是一样的，socket仍然是阻塞式TCP通讯，相 反，如果socket是非阻塞的socket，那么调用select()时就可以实现非阻塞式TCP通讯；

所以poll() 函数的功能和返回值的含义与 select() 函数的功能和返回值的含义是完全一样的，两者之间的差别就是内部实现方式不一样，select()函数基本上可以在所有支持文件描述符操作的系统平台上运 行(如：Linux 、Unix 、Windows、MacOS等)，可移植性好，而poll()函数则只有个别的的操作系统提供支持(如：SunOS、Solaris、AIX、HP提供 支持，但是Linux不提供支持)，可移植性差；

strust pollfd结构说明：

typedef struct pollfd {
        int fd;                               /* 需要被检测或选择的文件描述符*/
        short events;                   /* 对文件描述符fd上感兴趣的事件 */
        short revents;                  /* 文件描述符fd上当前实际发生的事件*/
} pollfd_t;

typedef unsigned long   nfds_t;

经常检测的事件标记： POLLIN/POLLRDNORM(可读)、POLLOUT/POLLWRNORM(可写)、POLLERR(出错)

如果是对一个描述符上的多个事件感兴趣的话，可以把这些常量标记之间进行按位或运算就可以了；

比如：对socket描述符fd上的读、写、异常事件感兴趣，就可以这样做：struct pollfd  fds;

fds[nIndex].events=POLLIN | POLLOUT | POLLERR；

当 poll()函数返回时，要判断所检测的socket描述符上发生的事件，可以这样做： struct pollfd  fds;

检测可读TCP连接请求：

if((fds[nIndex].revents & POLLIN) == POLLIN){//接收数据/调用accept()接收连接请求}

检测可写：

if((fds[nIndex].revents & POLLOUT) == POLLOUT){//发送数据}

检测异常：

if((fds[nIndex].revents & POLLERR) == POLLERR){//异常处理}

　每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，指示poll()监视多个文件描述符。每个结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents域是文件描述符的操作结果事件掩码。内核在调用返回时设置这个域。events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。合法的事件如下：
POLLIN
有数据可读。
POLLRDNORM
有普通数据可读。
POLLRDBAND
有优先数据可读。
POLLPRI
有紧迫数据可读。
POLLOUT
写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM
写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND
写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSG
SIGPOLL 消息可用。

此外，revents域中还可能返回下列事件：
POLLER
指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP
指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL
指定的文件描述符非法。

这些事件在events域中无意义，因为它们在合适的时候总是会从revents中返回。使用poll()和select()不一样，你不需要显式地请求异常情况报告。
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，POLLOUT |POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM |POLLRDBAND，而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。
例如，要同时监视一个文件描述符是否可读和可写，我们可以设置 events为POLLIN |POLLOUT。在poll返回时，我们可以检查revents中的标志，对应于文件描述符请求的events结构体。如果POLLIN事件被设置，则文件描述符可以被读取而不阻塞。如果POLLOUT被设置，则文件描述符可以写入而不导致阻塞。这些标志并不是互斥的：它们可能被同时设置，表示这个文件描述符的读取和写入操作都会正常返回而不阻塞。
timeout参数指定等待的毫秒数，无论I/O是否准备好，poll都会返回。timeout指定为负数值表示无限超时；timeout为0指示poll调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。这种情况下，poll()就像它的名字那样，一旦选举出来，立即返回。

返回值和错误代码
成功时，poll()返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0；失败时，poll()返回-1，并设置errno为下列值之一：
EBADF
一个或多个结构体中指定的文件描述符无效。
EFAULT
fds指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR
请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL
nfds参数超出PLIMIT_NOFILE值。
ENOMEM
可用内存不足，无法完成请求。

 

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linux的poll机制

Poll就是监控文件是否可读的一种机制，作用与select一样。

应用程序的调用函数如下：

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

Poll机制会判断fds中的文件是否可读，如果可读则会立即返回，返回的值就是可读fd的数量，如果不可读，那么就进程就会休眠timeout这么长的时间，然后再来判断是否有文件可读，如果有，返回fd的数量，如果没有，则返回0. 

内核实现流程：

当应用程序调用poll函数的时候，会调用到系统调用sys_poll函数，该函数最终调用do_poll函数，do_poll函数中有一个死循 环，

在里面又会利用do_pollfd函数去调用驱动中的poll函数（fds中每个成员的字符驱动程序都会被扫描到），驱动程序中的Poll函数的工作 有两个，

一个就是调用poll_wait 函数，把进程挂到等待队列中去（这个是必须的，你要睡眠，必须要在一个等待队列上面，否则到哪里去唤醒你呢？？），

另一个是确定相关的fd是否有内容可 读，如果可读，就返回1，否则返回0，如果返回1 ，do_poll函数中的count++，    

然后  do_poll函数然后判断三个条件（if (count ||!timeout || signal_pending(current))）如果成立就直接跳出，如果不成立，

就睡眠timeout个jiffes这么长的时间（调用schedule_timeout实现睡眠），如果在这段时间内没有其他进程去唤醒它，

那么第二次执行判断的时候就会跳出死循环。如果在这段时间内有其他进程唤醒它，那么也可以跳出死循环返回

（例如我们可以利用中断处理函数去唤醒它，这样的话一有数据可读，就可以让它立即返回）。

1.      sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：

asmlinkagelong sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, long timeout_msecs)

{        

 s64 timeout_jiffies;

         if (timeout_msecs > 0) {

#ifHZ > 1000

             /* We can only overflow if HZ >1000 */

             if (timeout_msecs / 1000 >(s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)

                 timeout_jiffies = -1;

             else

#endif

                 timeout_jiffies =msecs_to_jiffies(timeout_msecs);

         } 

else

 {

             /* Infinite (< 0) or no (0)timeout */

             timeout_jiffies = timeout_msecs;

         } 

         return do_sys_poll(ufds,nfds, &timeout_jiffies);

}

它对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。 

2.      do_sys_poll函数也位于位于fs/select.c文件中，我们忽略其他代码：

intdo_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)

{

……

poll_initwait(&table);

……

         fdcount = do_poll(nfds, head,&table, timeout);

……

} 

poll_initwait函数非常简单，它初始化一个poll_wqueues变量table：

poll_initwait> init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); > pt->qproc = qproc;

即table->pt->qproc= __pollwait，__pollwait将在驱动的poll函数里用到。 

3.      do_sys_poll函数位于fs/select.c文件中，代码如下：

 

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,   struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)

{

01 ……

02   for (;;){

03 ……

04                   if(do_pollfd(pfd, pt)) {

05                           count++;

06                           pt = NULL;

07                   }

08 ……

09       if(count || !*timeout || signal_pending(current))

10           break;

11       count= wait->error;

12       if(count)

13           break;14

15       if(*timeout < 0) {

16           /*Wait indefinitely */

17           __timeout= MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;

18       }else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {

19           /*

20           * Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in

21           * a loop

22           */

23           __timeout= MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;

24           *timeout-= __timeout;

25       }else {

26           __timeout= *timeout;

27           *timeout= 0;

28       }29

30       __timeout= schedule_timeout(__timeout); // 休眠时间由应用提供

31       if(*timeout >= 0)

32           *timeout+= __timeout;

33   }

34   __set_current_state(TASK_RUNNING);

35   returncount;

36 } 

分析其中的代码，可以发现，它的作用如下：

①    从02行可以知道，这是个循环，它退出的条件为：

a.      09行的3个条件之一(count非0，超时、有信号等待处理)

count顺0表示04行的do_pollfd至少有一个成功。

b.      11、12行：发生错误

②    重点在do_pollfd函数，后面再分析

③    第30行，让本进程休眠一段时间，注意：应用程序执行poll调用后，如果①②的条件不满足，进程就会进入休眠。那么，谁唤醒呢？除了休眠到指定时间被系统唤醒外，还可以被驱动程序唤醒──记住这点，这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因，后面分析。 

4.      do_pollfd函数位于fs/select.c文件中，代码如下：

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd*pollfd, poll_table *pwait)

{

……

             if(file->f_op && file->f_op->poll)

                     mask= file->f_op->poll(file, pwait);

……

} 

可见，它就是调用我们的驱动程序里注册的poll函数。 

二、驱动程序：

驱动程序里与poll相关的地方有两处：一是构造file_operation结构时，要定义自己的poll函数。二是通过poll_wait来调用上面说到的__pollwait函数，pollwait的代码如下：

staticinline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address,poll_table *p)

{

         if (p && wait_address)

             p->qproc(filp, wait_address, p);

}

p->qproc就是__pollwait函数，从它的代码可知，它只是把当前进程挂入我们驱动程序里定义的一个队列里而已。它的代码如下：

staticvoid __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,  poll_table *p)

{

         struct poll_table_entry *entry =poll_get_entry(p);

         if (!entry)

             return;

         get_file(filp);

         entry->filp = filp;

         entry->wait_address = wait_address;

         init_waitqueue_entry(&entry->wait,current);

         add_wait_queue(wait_address,&entry->wait);

} 

执行到驱动程序的poll_wait函数时，进程并没有休眠，我们的驱动程序里实现的poll函数是不会引起休眠的。让进程进入休眠，是前面分析的do_sys_poll函数的30行“__timeout = schedule_timeout(__timeout)”。

poll_wait只是把本进程挂入某个队列，应用程序调用poll > sys_poll> do_sys_poll > poll_initwait，do_poll > do_pollfd > 我们自己写的poll函数后，再调用schedule_timeout进入休眠。如果我们的驱动程序发现情况就绪，可以把这个队列上挂着的进程唤醒。可见，poll_wait的作用，只是为了让驱动程序能找到要唤醒的进程。即使不用poll_wait，我们的程序也有机会被唤醒：chedule_timeout(__timeout)，只是休眠__time_out这段时间。

 

现在来总结一下poll机制：

1. poll > sys_poll > do_sys_poll >poll_initwait，poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait，它就是我们的驱动程序执行poll_wait时，真正被调用的函数。 

2. 接下来执行file->f_op->poll，即我们驱动程序里自己实现的poll函数

   它会调用poll_wait把自己挂入某个队列，这个队列也是我们的驱动自己定义的；

   它还判断一下设备是否就绪。 

3. 如果设备未就绪，do_sys_poll里会让进程休眠一定时间，这个时间是应用提供的“超时时间” 

4. 进程被唤醒的条件有2：一是上面说的“一定时间”到了，二是被驱动程序唤醒。驱动程序发现条件就绪时，就把“某个队列”上挂着的进程唤醒，这个队列，就是前面通过poll_wait把本进程挂过去的队列。 

5. 如果驱动程序没有去唤醒进程，那么chedule_timeout(__timeou)超时后，会重复2、3动作1次，直到应用程序给定的时间， 然后返回。

驱动的poll函数编写模板如下：

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_waitq);  //休眠要挂的等待队列

static unsigned drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
unsigned int mask = 0;
poll_wait(file, &my_waitq, wait); // 不会立即休眠
if (有数据)
mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
return mask;
}