Linux中的Poll机制及其应用

1. Poll机制概述

Poll是Linux系统中一种用于实现I/O多路复用的机制。它是一种基于事件驱动的方式，可以同时监视多个文件描述符，一旦有文件描述符就绪，就会通知用户进程进行读写操作。相比于传统的select和epoll机制，Poll具有更好的可移植性和更高的性能。

2. Poll函数的用法

2.1 poll函数的原型

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

2.2 参数解释

fds：用于指定要监视的文件描述符数组，每个文件描述符由一个struct pollfd结构体表示，包括文件描述符的值、感兴趣的事件以及返回的事件。

nfds：表示要监视的文件描述符数量。

timeout：用于指定poll函数的超时时间，单位为毫秒。若timeout为正数，表示等待一段时间后返回；若timeout为0，表示立即返回；若timeout为负数，表示永久等待。

2.3 返回值

Poll函数的返回值为就绪的文件描述符数量，若为0表示超时，若为-1表示出错。

3. Poll函数的应用场景

3.1 网络编程

在网络编程中，经常需要并发处理多个网络连接，以提高程序的处理效率。使用Poll机制可以方便地管理多个网络连接，实现高性能的网络编程。

示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include<poll.h>
#define MAX_CLIENTS 10
int main() {
    int server_fd, new_socket, addrlen, activity, i;
    struct sockaddr_in address;
    int client_sockets[MAX_CLIENTS];
    struct pollfd fds[MAX_CLIENTS + 1];
    // 创建服务器套接字
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    // 绑定端口和IP地址
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    
    // 监听连接
    listen(server_fd, 3);
    
    // 初始化fds数组
    fds[0].fd = server_fd;
    fds[0].events = POLLIN; // 监听可读事件
    
    for (i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {
        fds[i].fd = -1; // 初始化为-1
    }
    
    while (1) {
        // 调用poll函数
        activity = poll(fds, MAX_CLIENTS + 1, -1);
        // 处理服务器套接字
        if (fds[0].revents & POLLIN) {
            new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);
            // 将新的客户端套接字加入到fds数组中
            for (i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {
                if (fds[i].fd == -1) {
                    fds[i].fd = new_socket;
                    fds[i].events = POLLIN;
                    break;
                }
            }
        }
        // 处理客户端套接字
        for (i = 1; i <= MAX_CLIENTS; i++) {
            if (fds[i].fd != -1 && fds[i].revents & POLLIN) {
                /* 处理读操作 */
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

3.2 文件监控

Poll机制可以用于监控文件的变化。通过监视文件的读事件，可以实现定期检测文件的状态，如文件的大小、修改时间等。

示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<poll.h>
int main() {
    int fd;
    struct stat st;
    struct pollfd fds[1];
    // 打开文件
    fd = open("file.txt", O_RDONLY);
    fstat(fd, &st);
    // 初始化poll结构体
    fds[0].fd = fd;
    fds[0].events = POLLIN;
    
    while (1) {
        // 调用poll函数
        poll(fds, 1, -1);
        // 检查文件状态
        fstat(fds[0].fd, &st);
        if (st.st_size >= 1024) {
            printf("File size exceeds 1KB.\n");
            break;
        }
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

4. Poll机制与其他I/O多路复用机制的比较

4.1 与select的比较

Poll函数是select函数的改进版，相比于select函数，Poll函数具有以下优势：

- 监视的文件描述符数量没有限制：在select函数中，由于使用数组来表示监视的文件描述符，数组大小有限，若要监视的文件描述符数量超过数组大小，则需要修改代码。而Poll函数则没有这样的限制，通过参数传递，可以灵活地监视任意多个文件描述符。

- 没有文件描述符复制的开销：select函数需要用户程序将要监视的文件描述符集合拷贝到内核中，而Poll函数直接传递文件描述符数组的指针，省去了拷贝的过程。

4.2 与epoll的比较

Poll函数与epoll函数都是基于事件驱动的I/O多路复用机制，相比于Poll函数，epoll函数在性能上更胜一筹。其主要区别如下：

- 处理大量的文件描述符效率更高：在大规模网络编程中，epoll函数的性能表现要优于Poll函数。由于epoll使用了红黑树来管理文件描述符，查找效率更高，并且支持水平触发和边缘触发两种模式。

- 记录了就绪的文件描述符：epoll通过在内核空间维护一个事件表来记录就绪的文件描述符，可以避免轮询文件描述符的操作。而Poll函数需要用户程序在每次返回后重新遍历所有文件描述符。

5. 结论

Poll机制是Linux系统中一种非常实用的I/O多路复用机制，可以在网络编程和文件监控等场景中发挥重要作用。尽管Poll函数在性能上不如epoll函数，但是它具有更好的可移植性，适用于各种类型的Linux系统。

通过学习Poll机制，我们可以更好地理解Linux系统的底层操作，并且在实际开发中能够灵活运用多路复用技术，提高程序的性能和并发能力。