【计算机网络】网络编程接口 Socket API 解读（3）

         Socket 是网络协议栈暴露给编程人员的 API，相比复杂的计算机网络协议，API 对关键操作和配置数据进行了抽象，简化了程序编程。

        本文讲述的 socket 内容源自 Linux man。本文主要对各 API 进行详细介绍，从而更好的理解 socket 编程。

poll

poll()           遵循 POSIX.1 - 2008

ppoll()         遵循 Linux

1.库

标准 c 库，libc, -lc

2.头文件

<poll.h>

3.接口定义

       int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
       int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,
                 const struct timespec *_Nullable tmo_p,
                 const sigset_t *_Nullable sigmask);

4.接口描述

        poll() 和 select() 做的事情差不多，它等待一个文件描述符集 I/O 就绪。Linux 的 epoll() 也是类似的，只是比 poll() 提供多了一些特性。

        fds 参数是要监控的文件描述符集，是下面结构体的一个数组：

           struct pollfd {
               int   fd;         /* file descriptor */
               short events;     /* requested events */
               short revents;    /* returned events */
           };

        由调用者指定 fds 的项数。

        结构体中 fd 包含了一个打开的文件描述符，如果它是负值，那么 events 参数将被忽略，revents 返回 0。（也就是说 可以将 fd 设置为其补码就可以忽略它）。

        events 参数是一个输入参数，通过按位掩码来标识应用感兴趣的文件描述符上的事件。参数可以设置为 0，那么就只能返回 POLLHUP/POLLERR/POLLNVAL 事件。

        revents 是一个输出参数，由内核填充实际发生的事件。这些事件可以是 events 中指定的事件，也可以是  POLLHUP/POLLERR/POLLNVAL 中的一个。（events 中这三个事件对应的位并没有什么意义，只要对应的条件发生，revents 就会返回该事件。）

        如果没有请求的事件（包括错误）发生，那么 poll() 会一直阻塞，直到有事件发生。

        timeout 参数指定了 poll() 等待文件描述符就绪的毫秒数，该调用会一直阻塞直到：

• 文件描述符就绪
• 调用被信号打断
• 发生超时

        同样，timeout 值也会向上近似到系统时钟粒度，由于内核调度延迟阻塞的事件可能会稍微多一点。如果 timeout 是负值，表示超时时间是无限长。如果 timeout 设置为 0，那么 poll() 会马上返回，即使没有任何文件描述符就绪。

        events 和 revents 中各个位在 poll.h 中定义：

    POLLIN

       有数据可以读。

    POLLPRI

        文件描述符上有异常发生，可能是（1）TCP socket 上有带外数据（2）处于报文模式的伪终端主机发现了从机状态变化（3）cgroup.events 文件被修改了。

        POLLOUT

       当前可写，但是写大于 socket 或 pipe 中可用空间的数据仍然会导致阻塞（除非设置了 O_NONBLOCK）。

        POLLRDHUP

        流 socket 对端关闭了连接或者在写半连接时关机。这个定义依赖于 _GNU_SOURCE 宏定。

        POLLERR

       发生错误。如果文件描述符指向了 pipe 的写端，而读端关闭了，那么也会返回这个错误。

        POLLHUP

        挂断。在读取 pipe 或者流 socket 时，这个事件只表示对端关闭了其通道，后面的数据读取时，在通道中数据读尽后再继续读会返回 0（EOF）。

        POLLNVAL

        请求不合法：fd 没有打开。

        在使用 _XOPEN_SOURCE 宏编译时，还会有以下一些事件，不过也没有提供太多信息：

        POLLRDNORM

        等同于 POLLIN。

        POLLRDBAND

        优先带宽数据可以读（通常在 Linux 上用）

        POLLWRNORM

        等同于 POLLOUT

        POLLWRBAND

        可能写了优先数据

ppoll()

        ppoll() 和 poll() 的关系就像 select() 和 pselect() 的关系一样，ppoll() 为应用提供了等待信号或者就绪事件的安全方法。

        除了 timeout 时间精度上的差异，以下两段代码几乎等效

           ready = ppoll(&fds, nfds, tmo_p, &sigmask);

           sigset_t origmask;
           int timeout;

           timeout = (tmo_p == NULL) ? -1 :
                     (tmo_p->tv_sec * 1000 + tmo_p->tv_nsec / 1000000);
           pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &sigmask, &origmask);
           ready = poll(&fds, nfds, timeout);
           pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &origmask, NULL);

          上面代码说成几乎等效而不是等效主要是因为负值的 timeout 会被 poll() 解释为一直等待，而 ppoll() 中负值的 *tmo_p 会报错。

        可以参考 pselect(2) 来看为什么 ppoll 是必要的。

        如果 sigmask 参数为 NULL，那么就不会有任何信号屏蔽操作，这时这两个接口唯一的区别就是时间精度。

        tmo_p 指定了 ppoll() 会阻塞的时间上限，它是指向 timespec 结构体的指针，指针为空时，ppoll() 会一直阻塞。

5.返回值

        成功时，poll() 返回一个非负数表示 pollfds 中有多少个文件描述符上有事件发生，即对应的 revents 有被更新为非 0 值。返回 0 表示没有任何文件描述符就绪并超时。

        发生错误时，返回 -1，并设置errno 来指示错误类型。

        错误值定义如下：

一些其他 UNIX 系统上，如果内核无法发分配内核资源，poll() 可能会产生 EAGAIN 类的错误，而不像 Linux 上的 ENOMEM。POSIX 允许这种行为。所以，一个可移植的程序需要检测该错误，并重试，就像处理 EINTR 一样。

一些实现定义了非标准常量 INFTIM（-1），用作 poll() 的 timeout，但是这个常量并没有被被 glibc 提供。

6.注意

       poll() 和 ppoll() 的行为不受 O_NONBLOCK 标志影响。

        对于一个文件描述符正在被 poll() 监听却被另一个线程关闭了这种情况的讨论，可以参考 select(2)。

7.BUGS

        可以参考 select(2) 中关于虚假就绪通知的讨论。 

8.代码实例

        该程序会打开命令行参数传进来的文件名并监听其 POLLIN 事件，程序会循环调用 poll() 来监听文件描述符，打印已经就绪的文件描述符数。对于每个就绪的文件描述符，程序会：

• 以可读的格式显示返回的 revents
• 如果文件描述符就绪，那么就从中读一些数据出来并打印
• 如果文件描述符不可读，但是发生了一些其他事件（比如 POLLHUP），就关闭文件描述符

        假定我们在一个终端运行程序，让他打开一个 FIFO：

       $ mkfifo myfifo
       $ ./poll_input myfifo

        在另一个终端打开 FIFO，并写入一些数据，然后关闭 FIFO：

       $ echo aaaaabbbbbccccc > myfifo

                 我们将在运行程序的终端上看到如下信息：

           Opened "myfifo" on fd 3
           About to poll()
           Ready: 1
             fd=3; events: POLLIN POLLHUP
               read 10 bytes: aaaaabbbbb
           About to poll()
           Ready: 1
             fd=3; events: POLLIN POLLHUP
               read 6 bytes: ccccc

           About to poll()
           Ready: 1
             fd=3; events: POLLHUP
               closing fd 3
           All file descriptors closed; bye

         从上面我们可以看到 poll() 返回了三次：

• 第一次返回是 POLLIN，表示文件描述符可读，另一个是 POLLHUP 表示文件描述符的另一个端关闭了。程序接着读取了一些可用的输入数据
• 第二次返回同样是这两个事件，依然消费了一些可用数据
• 最后一次返回，poll() 只有 POLLHUP 事件，然后关闭文件描述符并结束了程序。

       /* poll_input.c

          Licensed under GNU General Public License v2 or later.
       */
       #include <fcntl.h>
       #include <poll.h>
       #include <stdio.h>
       #include <stdlib.h>
       #include <unistd.h>

       #define errExit(msg)    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                               } while (0)

       int
       main(int argc, char *argv[])
       {
           int            ready;
           char           buf[10];
           nfds_t         num_open_fds, nfds;
           ssize_t        s;
           struct pollfd  *pfds;

           if (argc < 2) {
              fprintf(stderr, "Usage: %s file...\n", argv[0]);
              exit(EXIT_FAILURE);
           }

           num_open_fds = nfds = argc - 1;
           pfds = calloc(nfds, sizeof(struct pollfd));
           if (pfds == NULL)
               errExit("malloc");

           /* Open each file on command line, and add it to 'pfds' array. */

           for (nfds_t j = 0; j < nfds; j++) {
               pfds[j].fd = open(argv[j + 1], O_RDONLY);
               if (pfds[j].fd == -1)
                   errExit("open");

               printf("Opened \"%s\" on fd %d\n", argv[j + 1], pfds[j].fd);

               pfds[j].events = POLLIN;
           }

           /* Keep calling poll() as long as at least one file descriptor is
              open. */

           while (num_open_fds > 0) {
               printf("About to poll()\n");
               ready = poll(pfds, nfds, -1);
               if (ready == -1)
                   errExit("poll");

               printf("Ready: %d\n", ready);

               /* Deal with array returned by poll(). */

               for (nfds_t j = 0; j < nfds; j++) {
                   if (pfds[j].revents != 0) {
                       printf("  fd=%d; events: %s%s%s\n", pfds[j].fd,
                              (pfds[j].revents & POLLIN)  ? "POLLIN "  : "",
                              (pfds[j].revents & POLLHUP) ? "POLLHUP " : "",
                              (pfds[j].revents & POLLERR) ? "POLLERR " : "");

                       if (pfds[j].revents & POLLIN) {
                           s = read(pfds[j].fd, buf, sizeof(buf));
                           if (s == -1)
                               errExit("read");
                           printf("    read %zd bytes: %.*s\n",
                                  s, (int) s, buf);
                       } else {                /* POLLERR | POLLHUP */
                           printf("    closing fd %d\n", pfds[j].fd);
                           if (close(pfds[j].fd) == -1)
                               errExit("close");
                           num_open_fds--;
                       }
                   }
               }
           }

           printf("All file descriptors closed; bye\n");
           exit(EXIT_SUCCESS);
       }

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