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    Linux Poll 使用方法和实现

    Linux
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      WOW LV 5 last edited by

      转载自:https://blog.csdn.net/zhuxiaoping54532/article/details/51701549

      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:

      [cpp] view plain copy
      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:

      [cpp] view plain copy
      #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:

      [cpp] view plain copy
      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;
      }
      }
      原文:http://blog.csdn.net/zhandoushi1982/article/details/7738424

      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 <poll.h>

      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。


      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。

      1.  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。

      1.  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。

      1.  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;
      }

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