poll调用深入解析
poll调用和select调用实现的功能一样，都是网络IO利用的一种机制。先看一下poll的调用形式
一，poll调用
#include <poll.h> int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；struct pollfd结构如下：【在源码文件poll.h文件中】
struct pollfd {
int fd;
short events;
short revents;
};
这个结构中fd表示文件描述符，events表示请求检测的事件，revents表示检测之后返回的事件，如果当某个文件描述符有状态变化时，revents的值就不为空。
二，参数说明- fds：存放需要被检测状态的Socket描述符；与select不同（select函数在调用之后，会清空检测socket描述符的数组），每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，而是将有状态变化的描述符结构的revents变量状态变化，操作起来比较方便；
- nfds：用于标记数组fds中的struct pollfd结构元素的总数量；
- timeout：poll函数调用阻塞的时间，单位是MS（毫秒）
三，返回值
- 大于0：表示数组fds中有socket描述符的状态发生变化，或可以读取、或可以写入、或出错。并且返回的值表示这些状态有变化的socket描述符的总数量；此时可以对fds数组进行遍历，以寻找那些revents不空的socket描述符，然后判断这个里面有哪些事件以读取数据。
- 等于0：表示没有socket描述符有状态变化，并且调用超时。
- 小于0：此时表示有错误发生，此时全局变量errno保存错误码。
四，内核实现
poll系统调用的内核实现是sys_poll，其代码如下：
asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
long timeout_msecs)
{
s64 timeout_jiffies;
int ret;
if (timeout_msecs > 0) {
#if HZ > 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;
}
ret = do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);
if (ret == -EINTR) {
struct restart_block *restart_block;
restart_block = ¤t_thread_info()->restart_block;
restart_block->fn = do_restart_poll;
restart_block->arg0 = (unsigned long)ufds;
restart_block->arg1 = nfds;
restart_block->arg2 = timeout_jiffies & 0xFFFFFFFF;
restart_block->arg3 = (u64)timeout_jiffies >> 32;
ret = -ERESTART_RESTARTBLOCK;
}
return ret;
}这个函数还是比较容易理解，包括三个部分的工作：
- 函数调用超时阻塞时间转换，根据内核的软时钟设置频率将超时时间设置为jiffies标准时间。
- 调用do_sys_poll，这里完成主要的工作。
- 如果当前进程有待处理的信号，则先处理信号，这是根据do_sys_poll返回来决定的，事实上在这个调用中会检查当前的进程是否有未处理信号，如果有，就会返回EINTR以处理信号，然后返回-ERESTART_RESTARTBLOCK，这会导致重新调用。
进入到do_sys_poll函数中
int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)
{
struct poll_wqueues table;
int err = -EFAULT, fdcount, len, size;
/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be
faster - use long to make sure the buffer is aligned properly
on 64 bit archs to avoid unaligned access */
long stack_pps[POLL_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
struct poll_list *const head = (struct poll_list *)stack_pps;
struct poll_list *walk = head;
unsigned long todo = nfds;
if (nfds > current->signal->rlim[RLIMIT_NOFILE].rlim_cur)
return -EINVAL;
len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);
for (;;) {
walk->next = NULL;
walk->len = len;
if (!len)
break;
if (copy_from_user(walk->entries, ufds + nfds-todo,
sizeof(struct pollfd) * walk->len))
goto out_fds;
todo -= walk->len;
if (!todo)
break;
len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);
size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;
walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!walk) {
err = -ENOMEM;
goto out_fds;
}
}
pollfd
poll_initwait(&table);
fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);
poll_freewait(&table);
for (walk = head; walk; walk = walk->next) {
struct pollfd *fds = walk->entries;
int j;
for (j = 0; j < walk->len; j++, ufds++)
if (__put_user(fds[j].revents, &ufds->revents))
goto out_fds;
}
err = fdcount;
out_fds:
walk = head->next;
while (walk) {
struct poll_list *pos = walk;
walk = walk->next;
kfree(pos);
}
return err;
}为了加快处理速度和提高系统性能，这里优先使用已经定好的一个栈空间，其大小为POLL_STACK_ALLOC，在我系统上，其值为256，大小为256个字节的栈空间转换为struct poll_list结构，以存储需要被检测的socket描述符，struct poll_list的结构如下：
struct poll_list {
struct poll_list *next;
int len;
struct pollfd entries[0];
};上面可以看到该结构的entries为一个数组，结构为struct pollfd，这个有点眼熟，没错，它就是存储poll调用中需要被检测的socket描述符。那么前面分配的栈空间能存储多少个struct pollfd呢？这计算如下：
len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);式中的N_STACK_PPS就是计算前面默认的固定栈大小能够存储多少个struct pollfd的
#define N_STACK_PPS ((sizeof(stack_pps) - sizeof(struct poll_list)) / \ sizeof(struct pollfd))然后就复制len个struct pollfd至内核空间，这里有细心的用户就会发现：如果nfds比N_STACK_PPS大的话，怎么办呢？注意上面的函数，是一个循环，如果nfds比N_STACK_PPS大（事实上，一般都会比这里大），那么会再请求内存，然后接着复制，就是这个代码片段：
len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);
size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;
walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!walk) {
err = -ENOMEM;
goto out_fds;
}
}POLLFD_PER_PAGE表示一页的内存能够存储多少个struct pollfd，可以计算一下，一页是4K，而struct pollfd的内存占用8个字节，就是一页的内存可以将近存储512个socket描述符。如果在分配一页的内存之后，还不够nfds来用，没关系，循环不会退出的，会再分配一个页，并且所有分配的块都被struct poll_list链接起来，上面可以看到，这个结构有一个next域，就是专门做这个的。
在这之后，就会形成一个以stack_pps存储空间为头，然后一页一页分配的内存为接点的链表，这个链表上就存储了poll调用时传入的所有的socket描述符。
接下来调用一个很重要的部分
poll_initwait(&table); fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout); poll_freewait(&table);这是最重要的部分，因为接下来的部分比较容易理解，在这之后，做两件事：
- 将链表上的所有struct pollfd中的revents的状态写入到用户空间（记得之前也从用户空间写入过内核空间，这是因为内核态地址，用户空间应用不能访问），所以需要写入到用户空间中去。
- 之前调用kmalloc分配了很多内存，现在要释放了，所以要从stack_pps地址处的head开始，顺着next不断的释放内存。
再回到最重要的部分，先看poll_initwait调用，下面是主要相关的数据结构
struct poll_wqueues {
poll_table pt;
struct poll_table_page * table;
int error;
int inline_index;
struct poll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];
};
typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);
typedef struct poll_table_struct {
poll_queue_proc qproc;
} poll_table;
poll_initwait函数如下：
void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq)
{
init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);//设置poll_table结构中的qproc函数指针为__pollwait函数，就是pwq->pt->qproc=__pollwait。这个函数是一个回调函数，基本上这种机制的实现，就是依靠回调函数了。
pwq->error = 0;
pwq->table = NULL;
pwq->inline_index = 0;
}所以poll_initwait就是初始化了poll_wqueues table，主要是将其结构中的函数指针设置为__pollwait函数。那么这个函数是做什么的呢？我们先看poll_initwait之后调用的函数，就是do_poll函数，其实现如下：
注意下面函数在调用时的参数，参数有这么几个nfds, head, &table, timeout，参数就容易理解了：nfds表示poll调用时传入的数组中struct pollfd的个数，head其实是表示将poll调用时传入的数组，因为全部都表示为struct poll_list链表了（前面分析的，还记得吧），table是刚刚初始化的一个，里面暂时就只是包含一个回调函数的指针，就是__pollwait函数。timeout表示超时时间。
static int do_poll(unsigned int nfds, struct poll_list *list,
struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)
{
int count = 0;
poll_table* pt = &wait->pt;
/* Optimise the no-wait case */
if (!(*timeout))
pt = NULL;
for (;;) {
struct poll_list *walk;
long __timeout;
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
for (walk = list; walk != NULL; walk = walk->next) {
struct pollfd * pfd, * pfd_end;
pfd = walk->entries;
pfd_end = pfd + walk->len;
for (; pfd != pfd_end; pfd++) {
/*
* Fish for events. If we found one, record it
* and kill the poll_table, so we don't
* needlessly register any other waiters after
* this. They'll get immediately deregistered
* when we break out and return.
*/
if (do_pollfd(pfd, pt)) {
count++;
pt = NULL;
}
}
}
/*
* All waiters have already been registered, so don't provide
* a poll_table to them on the next loop iteration.
*/
pt = NULL;
if (!count) {
count = wait->error;
if (signal_pending(current))
count = -EINTR;
}
if (count || !*timeout)
break;
if (*timeout < 0) {
/* Wait indefinitely */
__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
} else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {
/*
* Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in
* a loop
*/
__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;
*timeout -= __timeout;
} else {
__timeout = *timeout;
*timeout = 0;
}
__timeout = schedule_timeout(__timeout);
if (*timeout >= 0)
*timeout += __timeout;
}
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return count;
}这个函数有以下几个要注意的点：
- 信号处理保障。在这个函数中先将当前进程设置为可以被信号中断，就是set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)这一行，后面还会检查是否有需要处理的信号signal_pending(current)。这里的意思是就算是poll调用进入到sys_poll系统调用之后，也可以接收外部信号，从而退出当前系统调用（因为我们知道一般的系统调用都不会被中断的，所以系统调用一般都尽量很快的返回）。
- 外部大循环退出的条件，外部大循环退出的条件只有if (count || !*timeout) break;后面的条件容易理解，就是超时，前面的count是什么意思？它在每次调用do_pollfd函数之后，都有可能会加1，其实调用do_pollfd就是检查socket描述符状态的变化，如果有变化，就会使count加1，所以在结束内部遍历之后，count保存了所有的有状态变化的socket描述符数量。
- 这个函数会对之前以head为头结点的链表进行遍历，然后链表上每个结点中都包含很多很多的struct pollfd进行遍历（这些struct pollfd都被存储在struct poll_list结构的数组字段struct pollfd entries里面。
- 然后对每个struct pollfd调用do_pollfd（这会调用很多次，根据你传入多少个socket描述符而定），这个函数需要两个参数，一个是struct pollfd，这没得说的，另一个是刚刚初始化的table，就是那个暂时只是包含__pollwait回调指针的结构，还记得吧。
我们再进入do_pollfd，了解这个函数是做什么的？
static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
unsigned int mask;
int fd;
mask = 0;
fd = pollfd->fd;
if (fd >= 0) {
int fput_needed;
struct file * file;
file = fget_light(fd, &fput_needed);
mask = POLLNVAL;
if (file != NULL) {
mask = DEFAULT_POLLMASK;
if (file->f_op && file->f_op->poll)
mask = file->f_op->poll(file, pwait);
/* Mask out unneeded events. */
mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;
fput_light(file, fput_needed);
}
}
pollfd->revents = mask;
return mask;
}这个函数很简单，先根据socket描述符或者是文件句柄找到进程对应的struct file *file结构，然后调用file->f_op->poll(file,pwait)，这是这个函数的核心调用，这其实也是linux的VFS的一部分，这会根据当前的文件是什么类型的文件来选择调用的入口，如file是socket网络文件，此时调用的就是由网络驱动设备来实现的poll，如果file是ext3等文件系统上打开的一个文件，那就会调用由该文件系统来实现的poll函数，我们以tcp_poll为例来了解一般poll完成什么工作；
注意下面的参数，file和wait是由file->f_op->poll调用传入的参数，而struct socket为socket连接的进程方面表示。
unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait)
{
unsigned int mask;
struct sock *sk = sock->sk;
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);
if (sk->sk_state == TCP_LISTEN)
return inet_csk_listen_poll(sk);
/* Socket is not locked. We are protected from async events
by poll logic and correct handling of state changes
made by another threads is impossible in any case.
*/
mask = 0;
if (sk->sk_err)
mask = POLLERR;
/*
* POLLHUP is certainly not done right. But poll() doesn't
* have a notion of HUP in just one direction, and for a
* socket the read side is more interesting.
*
* Some poll() documentation says that POLLHUP is incompatible
* with the POLLOUT/POLLWR flags, so somebody should check this
* all. But careful, it tends to be safer to return too many
* bits than too few, and you can easily break real applications
* if you don't tell them that something has hung up!
*
* Check-me.
*
* Check number 1. POLLHUP is _UNMASKABLE_ event (see UNIX98 and
* our fs/select.c). It means that after we received EOF,
* poll always returns immediately, making impossible poll() on write()
* in state CLOSE_WAIT. One solution is evident --- to set POLLHUP
* if and only if shutdown has been made in both directions.
* Actually, it is interesting to look how Solaris and DUX
* solve this dilemma. I would prefer, if PULLHUP were maskable,
* then we could set it on SND_SHUTDOWN. BTW examples given
* in Stevens' books assume exactly this behaviour, it explains
* why PULLHUP is incompatible with POLLOUT. --ANK
*
* NOTE. Check for TCP_CLOSE is added. The goal is to prevent
* blocking on fresh not-connected or disconnected socket. --ANK
*/
if (sk->sk_shutdown == SHUTDOWN_MASK || sk->sk_state == TCP_CLOSE)
mask |= POLLHUP;
if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)
mask |= POLLIN | POLLRDNORM | POLLRDHUP;
/* Connected? */
if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
/* Potential race condition. If read of tp below will
* escape above sk->sk_state, we can be illegally awaken
* in SYN_* states. */
if ((tp->rcv_nxt != tp->copied_seq) &&
(tp->urg_seq != tp->copied_seq ||
tp->rcv_nxt != tp->copied_seq + 1 ||
sock_flag(sk, SOCK_URGINLINE) || !tp->urg_data))
mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
if (!(sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN)) {
if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk)) {
mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
} else { /* send SIGIO later */
set_bit(SOCK_ASYNC_NOSPACE,
&sk->sk_socket->flags);
set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
/* Race breaker. If space is freed after
* wspace test but before the flags are set,
* IO signal will be lost.
*/
if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk))
mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
}
}
if (tp->urg_data & TCP_URG_VALID)
mask |= POLLPRI;
}
return mask;
}上面的tcp_poll看上去很长，但核心的的调用是：
poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);
这个函数的file和wait是我们在poll调用过程中传入的参数，sk->sk_sleep是什么呢？这里解释一下
sk的值是
struct sock *sk = sock->sk;struct sock是socket连接的内核表示，sk->sk_sleep是structwait_queue_head_t结构类型，这表示的是socket的等待队列，每一个socket都有自己的一个等待队列，由内核结构struct sock来维护。
其实大多数驱动实现的时候，此时都调用这个函数，这个函数也很简单，实现如下：
static inline 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);
}现在一个转折点出现了，前面我们说过初始化table的函数指针为__pollwait，那么此时调用的就是__pollwait(filp,wait_address,p)，这里的参数分别表示为进程表示文件结构struct file，socket或设备的等待队列wait_queue_head_t，和poll_table。
再回顾一下，到此为止，从我们调用poll函数开始，然后复制数据至内核、将struct pollfd表示为内核的struct poll_list链表、初始化poll_table变量、然后调用do_pollfd函数等过程，其实都是为了检查poll传递的每个struct pollfd是否有状态变化，也就是调用VFS的file->f_op->poll函数，这就到了__pollwait函数这里来了，这个函数会往等待队列上添加一个新的结点。
__pollwait的实现
static void __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);
}我们现在来分析一下，__pollwait调用完成之后，内核做了什么？先看一下poll_get_entry(p);
static struct poll_table_entry *poll_get_entry(poll_table *_p)
{
struct poll_wqueues *p = container_of(_p, struct poll_wqueues, pt);
struct poll_table_page *table = p->table;
if (p->inline_index < N_INLINE_POLL_ENTRIES)
return p->inline_entries + p->inline_index++;
if (!table || POLL_TABLE_FULL(table)) {
struct poll_table_page *new_table;
new_table = (struct poll_table_page *) __get_free_page(GFP_KERNEL);
if (!new_table) {
p->error = -ENOMEM;
__set_current_state(TASK_RUNNING);
return NULL;
}
new_table->entry = new_table->entries;
new_table->next = table;
p->table = new_table;
table = new_table;
}
return table->entry++;
}这个函数会根据情况创建struct poll_table_page结构，因为__pollwait在系统中是会被多次调用的，所以可能会有多个struct poll_table_page结构，这个结构是对struct poll_table_entry的一个封装，其结构如下所示：
struct poll_table_page {
struct poll_table_page * next;
struct poll_table_entry * entry;
struct poll_table_entry entries[0];
};
struct poll_table_entry {
struct file * filp;
wait_queue_t wait;
wait_queue_head_t * wait_address;
};所以在调用poll_get_entry之后，会返回一个新的poll_table_entry，这也是每次调用__pollwait都会产生的。接下来调用init_waitqueue_entry函数将这个新建的struct poll_table_entry和当前的进程绑定起来，再将struct poll_table_entry加入到socket的等待队列。这样就将当前进程和socket的等待队列联系，说白了，就是把current挂到等待队列上。
因为一旦有数据就绪，就会叫醒等待队列上的进程。可以看代码
static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p)
{
q->flags = 0;
q->private = p;
q->func = default_wake_function;
}这里同时，注册了一个数据就绪时的叫醒函数
int default_wake_function(wait_queue_t *curr, unsigned mode, int sync,
void *key)
{
return try_to_wake_up(curr->private, mode, sync);
}这就完成了调用。再来所有回顾一下
- 调用poll函数。
- 进入sys_poll等系列内核调用。
- 准备数据：，注册__pollwait（这是通过初始化poll_wqueues来完成的），复制数据至内核，重新组织成struct poll_list等等。
- 对所有的struct pollfd循环，以调用do_pollfd函数。
- do_pollfd调用file->f_op->poll函数。
- 然后调用__pollwait创建一个struct poll_table_entry，并将其与当前进程绑定。
- 将当前进程挂在socket的等待队列上。
- 有数据就绪时唤醒进程。