C语言中通过poll实现IO多路复用

C语言中通过 `poll`实现IO多路复用

在C语言中，IO多路复用是一种常用的技术，用于提高程序的并发能力，尤其在处理多个文件描述符（如网络连接、设备等）时。poll是Linux系统提供的一个用于IO多路复用的系统调用，它能够监听多个文件描述符的状态，帮助程序处理多个输入输出事件。

一、什么是IO多路复用？

IO多路复用允许单个进程或线程同时监听多个文件描述符上的事件（如数据的可读、可写等），从而避免阻塞等待，提升程序的并发性能。传统的阻塞IO模型下，每个IO操作会阻塞当前线程，直到操作完成，效率较低。IO多路复用通过非阻塞IO和事件驱动机制，允许程序在一个线程中同时处理多个IO事件。

常见的IO多路复用技术有：

select：最早的IO多路复用技术，支持多个文件描述符的监听。
poll：改进版的 select，可以处理更多的文件描述符。
epoll：Linux特有的IO多路复用机制，处理大规模文件描述符时效率更高。

二、`poll`的工作原理

poll系统调用允许程序同时监控多个文件描述符的状态，类似于 select，但它比 select更加高效，特别是在文件描述符数量较多时。

poll的基本工作原理是：通过一个结构体 pollfd数组传递待监控的文件描述符，并设置需要监听的事件类型。poll会阻塞直到某个事件发生，或在指定的超时时间内返回。

三、`poll`的使用

poll的原型如下：

#include <poll.h>

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

fds：指向一个 pollfd结构体数组，数组中每个元素对应一个待监控的文件描述符。
nfds：fds数组的大小，表示待监控的文件描述符的个数。
timeout：等待的时间，单位为毫秒。timeout为 0时，poll立即返回，timeout为负数时，表示无限期等待。

pollfd结构体定义如下：

struct pollfd {
    int fd;         // 文件描述符
    short events;   // 监控的事件类型
    short revents;  // 返回发生的事件
};

events：指定我们希望监听的事件类型（例如，POLLIN表示文件描述符可读，POLLOUT表示文件描述符可写等）。
revents：返回发生的事件类型。

四、常见事件类型

poll支持以下几种事件类型：

POLLIN：表示文件描述符可读，即数据可以被读取。
POLLOUT：表示文件描述符可写，即可以向其写入数据。
POLLERR：表示文件描述符发生错误。
POLLHUP：表示文件描述符被挂起。

五、通过 `poll`实现多路复用

下面通过一个具体的示例来说明如何使用 poll来实现IO多路复用。

假设我们有两个文件描述符，一个用于标准输入（stdin），另一个用于网络套接字。我们希望同时监听标准输入和套接字是否可读。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

#define TIMEOUT 5000 // 5秒超时

int main() {
    // 创建pollfd数组
    struct pollfd fds[2];
  
    // 设置标准输入（fd=0）用于监听输入事件
    fds[0].fd = STDIN_FILENO;  // 标准输入
    fds[0].events = POLLIN;     // 监听可读事件

    // 创建一个模拟的套接字文件描述符（这里使用标准输出，实际应用中可以是套接字文件描述符）
    fds[1].fd = STDOUT_FILENO;  // 假设为网络套接字
    fds[1].events = POLLIN;     // 监听可读事件

    int ret = poll(fds, 2, TIMEOUT); // 监听两个文件描述符，超时5秒

    if (ret == -1) {
        perror("poll");
        exit(1);
    } else if (ret == 0) {
        printf("Timeout occurred! No events happened.\n");
    } else {
        if (fds[0].revents & POLLIN) {
            char buf[128];
            ssize_t bytes_read = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1);
            if (bytes_read > 0) {
                buf[bytes_read] = '\0';
                printf("Data from stdin: %s\n", buf);
            }
        }
        if (fds[1].revents & POLLIN) {
            printf("Data is ready to be read from socket (simulated output).\n");
        }
    }

    return 0;
}

六、代码解析

fds[0]和 fds[1]初始化：首先，我们为标准输入（stdin）和模拟的套接字（这里使用 stdout）创建了两个 pollfd结构体。
- fds[0].fd = STDIN_FILENO：将标准输入的文件描述符设置为监听的对象。
- fds[0].events = POLLIN：监听标准输入是否有数据可读。
调用 poll：我们使用 poll(fds, 2, TIMEOUT)来监听这两个文件描述符的事件，2表示我们要监听两个文件描述符，TIMEOUT是等待的时间，单位是毫秒。
处理返回事件：poll会阻塞，直到某个事件发生，或者超时返回。
- 如果 fds[0].revents & POLLIN为真，说明标准输入上有可读数据，程序会从标准输入读取数据。
- 如果 fds[1].revents & POLLIN为真，说明模拟的套接字有可读数据，程序会处理该事件。

七、`poll`的优缺点

优点	缺点
相比 `select`支持更多的文件描述符	`poll`仍然需要扫描整个文件描述符集合，效率较低
支持文件描述符的动态增加	不适用于大规模的文件描述符集合
简单易用，API清晰	当有大量文件描述符时，性能会降低

八、总结

通过 poll实现IO多路复用能够有效提高程序的并发性能，尤其适用于监听多个文件描述符的可读、可写事件。虽然 poll比 select更高效，但在需要处理大量文件描述符时，epoll会提供更好的性能。poll的使用方法简单直观，但在性能方面有所限制。适用于中小规模的IO多路复用任务。

C语言中通过poll实现IO多路复用