【Linux】多路IO复用技术②——poll详解&如何使用poll模型实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)

在阅读本篇博客之前,建议大家先去看一下我之前写的这篇博客,否则你很可能会一头雾水

【Linux】多路IO复用技术①——select详解&如何使用select模型在本地主机实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)icon-default.png?t=N7T8http://t.csdnimg.cn/kPjvk

如果你看完了上面这篇博客,或者对select的原理和网络通信方面有一定了解的话,就可以开始阅读下面的内容了。那么废话不多说,我们正式开始了。

目录

poll模型的优缺点

poll模型的相关接口

监听结构体struct pollfd

监听函数poll

poll函数使用时的注意事项

本地主机使用poll模型实现简易一对多服务器的程序实现

程序构成        结果图示


这篇博客为大家讲解的是多路IO复用技术②——poll

PS:由于poll模型的原理和select模型的实现原理基本一致,并且select的原理已经在上述的博客中详细讲过,所以这里不再浪费篇幅再讲一遍了

首先,我们先来了解一下poll模型的优缺点

poll模型的优缺点

优点:

  1. 在内网场景下,poll也算是不错的IO复用模式
  2. 对监听集合进行了传入传出分离设置,不需要用户再自己设置传入集合(监听集合)和传出集合(就绪集合)
  3. 相比select,poll可以监听的事件种类更加丰富(具体可见下面的博客接口部分——struct pollfd)
  4. 可以为不同的套接字设置不同的监听事件,不像select模型只能批量设置监听事件
  5. poll模型可以监听的socket数量不受1024的硬限制,允许用户自定义数组作为监听集合,数组想设置多大就设置多大(其实这也不能完全算优点,下面讲缺点时会讲为什么)

缺点:

  1. poll模型的兼容性极差,甚至部分linux系统都不认识poll模型,更别说windows系统了
  2. 随着select的持续使用,会产生大量的拷贝开销和挂载开销(原因和select模型一样)
  3. 与select模型一样,poll的监听也是通过一次次的遍历实现的,非常消耗CPU,会导致服务器吞吐能力会非常差。更可怕的是,select遍历的大小仅为1024,而poll模型遍历的大小是由用户决定的,如果用户设置的监听集合大小为100000,就意味着poll遍历的大小就是100000,服务器很可能会直接瘫痪

在了解了poll模型的优缺点后,我们来了解一下poll模型的相关函数

poll模型的相关接口

以下接口的头文件都是 #include

监听结构体struct pollfd

先来介绍一下poll模型中的监听集合是什么样的

poll中的监听集合是一个结构体数组,这里我们将变量名设为listen_array[size],写法如下所示:

#define SIZE 10000

struct pollfd listen_array[SIZE];//用户自定义的监听集合

pollfd结构体中的成员
struct pollfd
{
    int fd; //目标套接字的文件描述符,取消监听就设为-1
    short events; //想要监听什么事件
    short revetns;
};

我们来讲解一下revents这个成员的作用

当套接字就绪时触发某相关事件时,系统会将其设置为对应事件的宏定义,用户可以使用该成员判断套接字是否就绪

比如套接字中有数据来了,需要读取处理,触发读事件,系统就会自动将revents设置为读事件对应的常量POLLIN,用户就可以去通过判断revents是不是等于POLLIN来判断是否读事件就绪

events 和 revents 可取的值及对应事件如下图所示:

【Linux】多路IO复用技术②——poll详解&如何使用poll模型实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)_第1张图片

监听函数poll

先来介绍一下一会会用到的参数:

  • #define SIZE 10000; //监听集合的大小
  • struct pollfd listen_array[SIZE]; //自定义监听集合
  • nfds_t nfds; //最大监听套接字的数量,一般传监听数组的大小
  • int timeout; //工作模式

我们来介绍一下这个timeout,timeout有以下几种设置方式:

  1. timeout = -1:poll 调用后阻塞等待,直到被监视的某个文件描述符上的某个事件就绪。
  2. timeout = 0:poll 调用后非阻塞等待,无论被监视的文件描述符上的事件是否就绪,poll 检测后都会立即返回。
  3. timeout = 特定的时间值:poll 调用后在指定的时间内进行阻塞等待,如果被监视的文件描述符上一直没有事件就绪,则在经过长度为timeout的时间后, poll 进行超时返回。(以毫秒为级别)
函数 功能 返回值
int poll(listen_array , nfds , timeout); 监听集合中是否有套接字就绪

1.函数调用成功,则返回就绪的套接字个数

2.如果 timeout 时间耗尽,但没有套接字就绪,则返回 0。

3.如果函数调用失败,则返回 -1,同时会传出错误码。

常见的错误码有以下四种:

  • EFAULT:数组listen_array不包含在调用程序的地址空间中。
  • EINTR:此调用被信号所中断。
  • EINVAL:nfds值的大小超过RLIMIT_NOFILE。
  • ENOMEM:核心内存不足。

poll函数使用时的注意事项

既然前面都说了:poll模型可以监听的socket数量不受1024的硬限制,允许用户自定义数组作为监听集合,数组想设置多大就设置多大

那我现在写一段小代码,大家看一看这个程序对不对,系统会不会报错(假设已经完成了网络初始化并已经设置了服务器套接字监听)

int ready_num;

//阻塞监听socket相关事件
if((ready_num = poll(client_sockfd_array , 4096 , -1)) == -1)
{
    perror("poll call failed\n");
    exit(0);
}
else
{
    printf("1\n");
}

怎么样?有自己的结果了吗?接下来,我们公布正确答案

这个程序是错的!!!!!

为什么呢?这就要牵涉到进程相关的知识了

这是因为一个进程默认打开的最大文件描述符个数就是1024,我们可以通过ulimit -a命令在终端下查看,如下图所示

【Linux】多路IO复用技术②——poll详解&如何使用poll模型实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)_第2张图片

所以,当我们在poll函数中的最大监听数那个位置,填入比1024更大的数值的话,系统就会报错,警告Invalid argument——无效的参数

想要填入比1024更大的数值,我们就需要去修改默认的文件描述符数量,由于每个系统,甚至每个版本改动文件描述符数量的操作方式不一定一样,所以永久修改文件描述符数量的方式,这里就不多作介绍了,感兴趣的同学可以去查一下对应自己系统、对应自己版本的修改方式

我们这里简单介绍一下只对当前终端生效的修改方式,如下图所示

【Linux】多路IO复用技术②——poll详解&如何使用poll模型实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)_第3张图片

使用poll模型实现简易一对多服务器的程序实现

程序构成

该服务器与客户端由以下几个程序共同组成:

  • func_2th_parcel.h:定义二次包裹的函数名
  • func_2th_parcel.c:对网络初始化相关的函数进行二次包裹
  • poll_server.c:使用poll模型的服务器程序
  • client.c:客户端程序
/*************************************************************************
        > File Name: func_2th_parcel.h
        > Author: Nan
        > Mail: **@qq.com
        > Created Time: 2023年10月18日 星期三 18时32分22秒
 ************************************************************************/
 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
//socket函数的二次包裹
int SOCKET(int domain , int type , int protocol);
 
//bind函数的二次包裹
int BIND(int sockfd , const struct sockaddr* addr , socklen_t  addrlen);
 
//listen函数的二次包裹
int LISTEN(int sockfd , int backlog);
 
//send函数的二次包裹
ssize_t SEND(int sockfd , const void* buf , size_t len , int flags);
 
//recv函数的二次包裹
ssize_t RECV(int sockfd , void* buf , size_t len , int flags);
 
//connect函数的二次包裹
int CONNECT(int sockfd , const struct sockaddr* addr , socklen_t addrlen);
 
//accept函数的二次包裹
int ACCEPT(int sockfd , struct sockaddr* addr , socklen_t addrlen);
 
//网络初始化函数
int SOCKET_NET_CREATE(const char* ip , int port);
 
//服务端与客户端建立连接并返回客户端套接字文件描述符
int SERVER_ACCEPTING(int server_fd);
/*************************************************************************
        > File Name: func_2th_parcel.c
        > Author: Nan
        > Mail: **@qq.com
        > Created Time: 2023年10月18日 星期三 18时32分42秒
 ************************************************************************/
 
#include 
 
int SOCKET(int domain , int type , int protocol){
    int return_value;
    if((return_value = socket(domain , type , protocol)) == -1){
        perror("socket call failed!\n");
        return return_value;
    }
    return return_value;
}
 
int BIND(int sockfd , const struct sockaddr* addr , socklen_t addrlen){
    int return_value;   
    if((return_value = bind(sockfd , addr , addrlen)) == -1){
        perror("bind call failed!\n");
        return return_value;
    }                      
    return return_value;   
}
 
int LISTEN(int sockfd , int backlog){
    int return_value;   
    if((return_value = listen(sockfd , backlog)) == -1){
        perror("listen call failed!\n");
        return return_value;
    }                      
    return return_value;   
}
 
ssize_t SEND(int sockfd , const void* buf , size_t len , int flags){
    ssize_t return_value;
    if((return_value = send(sockfd , buf , len , flags)) == -1){
        perror("send call failed!\n");
        return return_value;
    }
    return return_value;
}
 
ssize_t RECV(int sockfd , void* buf , size_t len , int flags){
    ssize_t return_value;   
    if((return_value = recv(sockfd , buf , len , flags)) == -1){
        perror("recv call failed!\n");
        return return_value;
    }                      
    return return_value;   
}
 
int CONNECT(int sockfd , const struct sockaddr* addr , socklen_t addrlen){
    int return_value;   
    if((return_value = connect(sockfd , addr , addrlen)) == -1){
        perror("connect call failed!\n");
        return return_value;
    }                      
    return return_value;   
}
 
int ACCEPT(int sockfd , struct sockaddr* addr , socklen_t addrlen){
    int return_value;   
    if((return_value = accept(sockfd , addr , &addrlen)) == -1){
        perror("accept call failed!\n");
        return return_value;
    }                      
    return return_value;   
}
 
int SOCKET_NET_CREATE(const char* ip , int port){
    int sockfd;
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET , ip , &addr.sin_addr.s_addr);
    sockfd = SOCKET(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
    BIND(sockfd , (struct sockaddr*)&addr , sizeof(addr));
    LISTEN(sockfd , 128);
    return sockfd;
}
 
int SERVER_ACCEPTING(int server_fd)
{
    int client_sockfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    char client_ip[16];
    char buffer[1500];
    bzero(buffer , sizeof(buffer));
    bzero(&client_addr , sizeof(client_addr));
    socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
    client_sockfd = ACCEPT(server_fd , (struct sockaddr*)&client_addr , addrlen);
    bzero(client_ip , 16);
    //将客户端的IP地址转成CPU可以识别的序列并存储到client_ip数组中
    inet_ntop(AF_INET , &client_addr.sin_addr.s_addr , client_ip , 16);
    sprintf(buffer , "Hi , %s welcome tcp test server service..\n" , client_ip);
    printf("client %s , %d , connection success , client sockfd is %d\n" , client_ip , ntohs(client_addr.sin_port) , client_sockfd);
    SEND(client_sockfd , buffer , strlen(buffer) , MSG_NOSIGNAL);
    return client_sockfd;
}
 
/*************************************************************************
        > File Name: poll_server.c
        > Author: Nan
        > Mail: **@qq.com
        > Created Time: 2023年10月25日 星期三 18时53分30秒
 ************************************************************************/

#include 

int main(void)
{
    //一、进行网络初始化
    int server_sockfd;//服务器套接字文件描述符
    struct pollfd client_sockfd_array[1024];//存放客户端套接字相关结构体的数组  
    int client_sockfd;//客户端套接字文件描述符
    int ready_num;//获取处于就绪状态的套接字数目
    char rw_buffer[1500];//读写缓冲区
    int flag;
    int recv_len;//客户端发来的数据长度

    //将结构体数组中对应套接字文件描述符的那一位置为-1,方便后面查找就绪套接字
    for(int i = 1 ; i < 1024 ; i++)
    {
        //从1开始初始化是因为,0那一位要留给服务器套接字
        client_sockfd_array[i].fd = -1;
        client_sockfd_array[i].events = POLLIN;//都设置为监听读事件
    }
    bzero(rw_buffer , sizeof(rw_buffer));

    server_sockfd = SOCKET_NET_CREATE("192.168.79.128" , 6060);//初始化服务器套接字网络信息结构体
    
    //将服务器套接字结构体初始化一下
    client_sockfd_array[0].fd = server_sockfd;
    client_sockfd_array[0].events = POLLIN;
    printf("poll_server wait TCP connect\n");

    //二、启动监听,等待socket相关事件
    while(1)
    {
        //阻塞等待socket读相关事件
        if((ready_num = poll(client_sockfd_array , 1024 , -1)) == -1)
        {
            perror("poll call failed\n");
            exit(0);
        }
        //printf("readynum = %d\n" , ready_num);

        while(ready_num)
        {
            //辨别就绪,如果是服务端套接字就绪
            if(client_sockfd_array[0].revents == POLLIN)
            {
                client_sockfd = SERVER_ACCEPTING(client_sockfd_array[0].fd);//与客户端建立TCP链接
                
                for(int i = 1 ; i < 1024 ; i++)
                {
                    //将该客户端套接字,放到数组中有空缺的地方
                    if(client_sockfd_array[i].fd == -1)
                    {
                        client_sockfd_array[i].fd = client_sockfd;
                        break;
                    }
                }
                client_sockfd_array[0].revents = 0;//清0,防止ready_num > 1时会多次误判断就绪套接字为服务器套接字
            }
            //如果是客户端套接字就绪
            else
            {
                for(int i = 1 ; i < 1024 ; i++)
                {
                    //检测数组中下标位为i的地方是否存放的有客户端套接字文件描述符
                    if(client_sockfd_array[i].fd != -1)
                    {
                        //如果存放的有客户端套接字文件描述符,且该套接字处于就绪状态
                        if(client_sockfd_array[i].revents == POLLIN)
                        {
                            recv_len = RECV(client_sockfd_array[i].fd , rw_buffer , sizeof(rw_buffer) , 0);//获取数据长度
                            printf("客户端%d 发来数据 : %s , 现在进行处理\n" , client_sockfd_array[i].fd , rw_buffer);
                            flag = 0;
                            //如果recv_len = 0,就说明与客户端套接字对应的客户端退出了,将对应客户端套接字移出监听集合
                            if(recv_len == 0)
                            {
                                printf("客户端%d 已下线\n" , client_sockfd_array[i].fd);
                                close(client_sockfd_array[i].fd);
                                client_sockfd_array[i].fd = -1;
                                break;
                            }
                            //如果recv_len > 0,说明需要进行业务处理:小写字母转大写字母
                            while(recv_len > flag)
                            {
                                rw_buffer[flag] = toupper(rw_buffer[flag]);
                                flag++;
                            }
                            printf("已向客户端%d 发送处理后的数据 : %s\n" , client_sockfd_array[i].fd , rw_buffer);
                            SEND(client_sockfd_array[i].fd , rw_buffer , recv_len , MSG_NOSIGNAL);//发送处理后的数据给客户端
                            bzero(rw_buffer , sizeof(rw_buffer));//清空读写缓冲区
                            recv_len = 0;//重置数据长度
                            client_sockfd_array[i].revents = 0;//清0,防止ready_num > 1时会多次误判断就绪套接字为该客户端套接字
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
            ready_num--;//已经处理一个,就绪套接字数量-1
        }
    }
    close(server_sockfd);
    printf("server shutdown\n");
    return 0;  
}
/*************************************************************************
        > File Name: client.c
        > Author: Nan
        > Mail: **@qq.com
        > Created Time: 2023年10月19日 星期四 18时29分12秒
 ************************************************************************/
 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
//服务器实现大小写转换业务
 
int main()
{
    //1.定义网络信息结构体与读写缓冲区并初始化
    struct sockaddr_in dest_addr;
    char buffer[1500];
    bzero(&dest_addr , sizeof(dest_addr));
    bzero(buffer , sizeof(buffer));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    dest_addr.sin_port = htons(6060);
    //字符串ip转大端序列
    inet_pton(AF_INET , "192.168.79.128" , &dest_addr.sin_addr.s_addr);
    int sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
    int i;
    //2.判断连接是否成功
    if((connect(sockfd , (struct sockaddr*) &dest_addr , sizeof(dest_addr))) == -1)
    {
        perror("connect failed!\n");
        exit(0);
    }
    recv(sockfd , buffer , sizeof(buffer) , 0);
    printf("%s" , buffer);
    bzero(buffer , sizeof(buffer));
    //3.循环读取终端输入的数据
    while( (fgets(buffer , sizeof(buffer) , stdin) ) != NULL)
    {
        i = strlen(buffer);
        buffer[i-1] = '\0';
        //向服务端发送消息
        send(sockfd , buffer , strlen(buffer) , MSG_NOSIGNAL);
        //接收服务端发来的消息
        recv(sockfd , buffer , sizeof(buffer) , 0);
        //打印服务端发来的信息
        printf("response : %s\n" , buffer);
        //清空读写缓冲区,以便下一次放入数据
        bzero(buffer , sizeof(buffer));
    }
    //4.关闭套接字,断开连接
    close(sockfd);
    return 0;
}

结果图示

【Linux】多路IO复用技术②——poll详解&如何使用poll模型实现简易的一对多服务器(附图解与代码实现)_第4张图片

以上就是本篇博客的全部内容了,大家有什么地方没有看懂的话,可以在评论区留言给我,咱要力所能及的话就帮大家解答解答

今天的学习记录到此结束啦,咱们下篇文章见,ByeBye!

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