🔄 Linux poll() 系統調用詳解
一、poll 是干什么的？
poll 是 Linux（及 POSIX 標準）中用于實現 I/O 多路復用（I/O Multiplexing） 的系統調用，它的核心作用是：
讓一個線程能夠同時監視多個文件描述符（file descriptors），并等待其中任意一個變為“就緒”狀態（可讀、可寫或出現異常），而無需阻塞在單個 I/O 操作上。
換句話說，poll 實現了“一個線程處理多個 I/O 事件”的能力，是構建并發網絡程序的重要工具之一。
它本質上是 select 的改進版，解決了 select 的一些關鍵限制，同時為后續更高效的 epoll 奠定了基礎。
二、為什么需要 poll？它解決了什么問題？
1. select 的局限性
文件描述符數量限制：
select最多只能監聽 1024 個 fd（由FD_SETSIZE決定）。使用位圖（bitmap）管理 fd 集合：操作繁瑣，需用宏（
FD_SET,FD_ISSET等）。每次調用必須重置集合：性能開銷大，且易出錯。
需傳入最大 fd + 1：效率低，掃描范圍可能很大。
2. poll 的解決方案
poll 在設計上直接針對 select 的缺陷進行優化：
? 優點：
無 fd 數量硬限制：使用動態數組，理論上只受系統資源限制。
使用數組結構管理 fd：更直觀、靈活。
無需重置整個集合結構：只需復用
struct pollfd數組。不依賴位圖或最大 fd：避免無效掃描。
?
poll是select到epoll之間的重要過渡機制，兼具兼容性與擴展性。
三、poll 的函數原型
#include <poll.h>?int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
返回值：
成功：返回就緒的文件描述符數量（> 0）
超時：返回 0
出錯：返回 -1，并設置
errno
四、參數詳解
| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
fds | struct pollfd * | 指向 pollfd 結構體數組的指針，每個元素代表一個待監聽的 fd。 |
nfds | nfds_t（通常是 unsigned long） | 數組中元素的個數（即要監聽的 fd 總數）。 |
timeout | int | 等待超時時間（毫秒）。決定 poll 是阻塞、非阻塞還是限時等待。 |
五、核心數據結構
1. struct pollfd —— 文件描述符事件結構
struct pollfd {int ? fd; ? ? ? // 要監聽的文件描述符short events; ? // 用戶關心的事件類型（輸入）short revents; ?// 內核返回的就緒事件（輸出）};常見事件類型（events 和 revents）：
| 事件 | 說明 |
|---|---|
POLLIN | 數據可讀（包括普通數據和優先級數據） |
POLLRDNORM | 普通數據可讀（通常與 POLLIN 等價） |
POLLRDBAND | 優先級數據可讀（帶外數據 OOB） |
POLLOUT | 數據可寫 |
POLLWRNORM | 普通數據可寫（通常與 POLLOUT 等價） |
POLLERR | 錯誤發生（自動檢測，無需設置 events） |
POLLHUP | 對端掛起或關閉連接（hang up） |
POLLNVAL | 文件描述符無效（未打開） |
?? 注意：
events：由用戶設置，表示關心哪些事件。
revents：由內核填充，表示實際發生的事件。即使未在
events中設置POLLERR或POLLHUP，只要發生，revents中也會包含。
2. timeout 參數的三種用法
| 情況 | 設置方式 | 行為 |
|---|---|---|
| 永久阻塞 | timeout = -1 | 一直等待，直到有 fd 就緒 |
| 非阻塞 | timeout = 0 | 立即返回，用于輪詢 |
| 限時等待 | timeout = 5000 | 最多等待 5000 毫秒（5 秒） |
六、poll 的工作流程（典型用法）
?#include <poll.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>?#define MAX_FDS 10?struct pollfd fds[MAX_FDS];int nfds = 0; // 當前監聽的 fd 數量?// 假設已有 listen_fd 和一些 conn_fd?// 1. 初始化：將監聽 socket 加入fds[nfds].fd = listen_fd;fds[nfds].events = POLLIN;nfds++;?// 主循環while (1) {// 2. 調用 pollint ready = poll(fds, nfds, 5000); // 等待 5 秒?if (ready == -1) {perror("poll");break;} else if (ready == 0) {printf("Timeout: no fd ready\n");continue;}?// 3. 遍歷所有注冊的 fd，檢查 reventsfor (int i = 0; i < nfds; i++) {if (fds[i].revents & POLLIN) {if (fds[i].fd == listen_fd) {// 新連接到達int conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);// 將新連接加入 poll 數組fds[nfds].fd = conn_fd;fds[nfds].events = POLLIN;nfds++;} else {// 已連接 socket 有數據可讀char buffer[1024];int n = read(fds[i].fd, buffer, sizeof(buffer));if (n > 0) {write(fds[i].fd, buffer, n); // echo} else {// 客戶端關閉或出錯close(fds[i].fd);// 從數組中移除（可前移覆蓋）fds[i] = fds[--nfds];i--; // 重新檢查當前位置}}}?if (fds[i].revents & POLLHUP) {printf("FD %d hung up\n", fds[i].fd);close(fds[i].fd);fds[i] = fds[--nfds];i--;}?if (fds[i].revents & POLLERR) {fprintf(stderr, "Error on FD %d\n", fds[i].fd);close(fds[i].fd);fds[i] = fds[--nfds];i--;}}}🔁 關鍵點：
poll不會修改events，但會修改revents。每次調用后需檢查
revents判斷事件類型。刪除 fd 時需手動維護數組（如前移覆蓋）。
七、poll 解決的核心問題
| 問題 | poll 如何解決 |
|---|---|
select 的 1024 fd 限制 | 使用數組，無硬編碼限制 |
select 的位圖操作繁瑣 | 使用結構體數組，語義清晰 |
select 需傳最大 fd | poll 直接傳數組長度，無需掃描無效范圍 |
| 跨平臺兼容性 | POSIX 標準，支持 Linux、BSD、macOS 等 |
八、poll 的缺點（局限性）
| 缺點 | 說明 |
|---|---|
| 1. 時間復雜度仍為 O(n) | 每次調用需遍歷所有注冊的 fd，即使只有一個就緒 |
| 2. 用戶態/內核態拷貝開銷 | 每次調用都要復制整個 pollfd 數組到內核 |
| 3. 無邊緣觸發（ET）模式 | 只支持水平觸發（LT），可能重復通知 |
| 4. 需手動管理 fd 數組 | 添加/刪除 fd 需維護數組，邏輯復雜 |
| 5. 不支持就緒事件批量返回優化 | 不像 epoll 有就緒鏈表機制 |
九、現代替代方案
| 機制 | 優勢 |
|---|---|
epoll() (Linux) | O(1) 通知、支持 ET、高性能，Linux 首選 |
kqueue() (BSD/macOS) | 類似 epoll，功能強大，支持過濾器機制 |
io_uring (Linux 5.1+) | 異步 I/O + 多路復用一體化，下一代標準 |
? 推薦：
Linux 高并發：使用
epoll跨平臺中等并發：使用
poll學習過渡：
poll是理解epoll的良好跳板
十、總結：poll 的定位
| 項目 | 內容 |
|---|---|
| 本質 | POSIX I/O 多路復用系統調用 |
| 目的 | 單線程監聽多個 fd 的 I/O 事件 |
| 核心函數 | poll() + struct pollfd |
| 核心結構 | pollfd 數組 |
| 觸發模式 | 僅支持水平觸發（LT） |
| 適用場景 | 中等并發、跨平臺兼容、學習 I/O 復用進階 |
| 不適用場景 | 超高并發（>1萬連接）、極致性能要求 |
| 學習價值 | 理解從 select 到 epoll 的演進路徑 |
📌 一句話總結： poll 是 select 的現代化替代，它通過數組結構擺脫了 fd 數量限制，提升了靈活性和可移植性，雖然性能仍不及 epoll，但它是構建跨平臺高并發網絡程序的重要工具，也是理解現代 I/O 復用機制的關鍵一環。
🔥 進階建議：
對比
poll與epoll的系統調用開銷實現一個基于
poll的簡單 HTTP 服務器理解
poll在libevent、Redis等項目中的使用
掌握 poll，你就掌握了從傳統 I/O 模型邁向高性能網絡編程的中間橋梁。
