IO多路复用——Poll底层原理深度分析

Poll是IO多路复用的一种实现方式，它允许一个进程同时监听多个文件描述符，当其中任何一个文件描述符就绪时，进程就可以进行相应的IO操作。

• 核心特点：
  • 非阻塞：不会因为某个文件描述符未就绪而阻塞整个进程
  • 轮询机制：通过轮询检查所有被监听的文件描述符状态
  • 事件驱动：基于事件通知机制，只有文件描述符状态发生变化时才返回

1. 工作流程

2. 详细文字描述

2.1 初始化阶段

1. 创建pollfd结构体数组：为每个需要监听的文件描述符分配一个pollfd结构体
2. 设置监听参数：
   • fd：要监听的文件描述符
   • events：要监听的事件类型（读、写、异常等）
   • revents：实际发生的事件（由内核填充）

2.2 监听阶段

1. 调用poll函数：将pollfd数组传递给内核
2. 内核处理：
   • 检查所有文件描述符的状态
   • 将就绪的文件描述符标记在revents字段中
   • 返回就绪的文件描述符数量

2.3 事件处理阶段

1. 遍历pollfd数组：检查每个文件描述符的revents字段
2. 事件分类处理：
   • POLLIN：数据可读
   • POLLOUT：数据可写
   • POLLERR：发生错误
   • POLLHUP：连接断开

2.4 循环监听

处理完当前事件后，重新调用poll函数继续监听，形成事件循环。

3.Poll与Select底层原理对比

3.1 系统调用层面

Select系统调用

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

Poll系统调用

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

3.2 核心数据结构差异

Select的数据结构

typedef struct {long fds_bits[FD_SETSIZE / NFDBITS];
} fd_set;// 位图表示，每个bit代表一个文件描述符
// 例如：fds_bits[0] = 0x00000001 表示文件描述符0被设置

Poll的数据结构

struct pollfd {int   fd;      // 文件描述符short events;  // 请求的事件short revents; // 返回的事件
};

3.3 底层实现机制对比

都有两次用户空间、内核空间之间的拷贝。

3.4 详细底层原理分析

文件描述符传递方式

Select：

• 使用三个独立的位图（readfds, writefds, exceptfds）
• 每个位图使用long数组存储，每个bit代表一个文件描述符
• 文件描述符范围限制：0 到 FD_SETSIZE-1（通常是1024）

Poll：

• 使用pollfd结构体数组
• 每个结构体包含文件描述符和事件信息
• 无文件描述符数量限制

内核处理流程

Select内核处理：

// 伪代码展示select内核处理
int do_select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds) {// 1. 遍历所有文件描述符（0到nfds-1）for (int fd = 0; fd < nfds; fd++) {// 2. 检查每个fd是否在对应的位图中if (FD_ISSET(fd, readfds)) {// 3. 检查该fd是否可读if (is_readable(fd)) {// 4. 设置对应的位FD_SET(fd, readfds);} else {// 5. 清除对应的位FD_CLR(fd, readfds);}}// 类似处理writefds和exceptfds}return ready_count;
}

Poll内核处理：

// 伪代码展示poll内核处理
int do_poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds) {// 1. 遍历pollfd数组for (int i = 0; i < nfds; i++) {int fd = fds[i].fd;short events = fds[i].events;// 2. 检查该fd的状态short revents = 0;if (events & POLLIN && is_readable(fd)) {revents |= POLLIN;}if (events & POLLOUT && is_writable(fd)) {revents |= POLLOUT;}// 3. 设置revents字段fds[i].revents = revents;}return ready_count;
}

3.5 性能差异分析

时间复杂度

Select：

• 遍历复杂度：O(n)，其中n是最大文件描述符值
• 即使只监听文件描述符1000，也要检查0-999的所有fd

Poll：

• 遍历复杂度：O(n)，其中n是实际监听的文件描述符数量
• 只检查用户实际设置的pollfd结构体

内存使用

Select：

// 内存布局示例
fd_set readfds;  // 128字节（1024位）
fd_set writefds; // 128字节
fd_set exceptfds; // 128字节
// 总计：384字节固定大小

Poll：

// 内存布局示例
struct pollfd fds[100];  // 每个结构体12字节
// 总计：1200字节（可动态调整）

3.6 系统调用开销对比

3.7 实际性能测试场景

场景1：监听少量文件描述符（< 100）

• Select性能：较好，因为位图操作效率高
• Poll性能：相当，结构体数组开销不大

场景2：监听大量文件描述符（> 1000）

• Select性能：较差，需要遍历大量无效fd
• Poll性能：较好，只处理实际监听的fd

场景3：高并发场景

• Select性能：每次都要重新设置位图
• Poll性能：可以复用pollfd数组

3.8 底层实现细节对比

特性	Select	Poll
数据结构	位图	结构体数组
文件描述符限制	1024	无限制
内核遍历方式	线性扫描位图	线性扫描数组
用户空间处理	位操作	数组遍历
内存效率	固定大小	动态大小
系统调用参数	多个独立参数	单个结构体数组