poll调用深入解析

poll调用和select调用实现的功能一样，都是网络IO利用的一种机制。先看一下poll的调用形式

一，poll调用

#include <poll.h>int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；

struct pollfd结构如下：【在源码文件poll.h文件中】

struct pollfd {int fd;short events;short revents;};

这个结构中fd表示文件描述符，events表示请求检测的事件，revents表示检测之后返回的事件，如果当某个文件描述符有状态变化时，revents的值就不为空。

二，参数说明

1. fds：存放需要被检测状态的Socket描述符；与select不同（select函数在调用之后，会清空检测socket描述符的数组），每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，而是将有状态变化的描述符结构的revents变量状态变化，操作起来比较方便；
2. nfds：用于标记数组fds中的struct pollfd结构元素的总数量；
3. timeout：poll函数调用阻塞的时间，单位是MS（毫秒）

三，返回值

1. 大于0：表示数组fds中有socket描述符的状态发生变化，或可以读取、或可以写入、或出错。并且返回的值表示这些状态有变化的socket描述符的总数量；此时可以对fds数组进行遍历，以寻找那些revents不空的socket描述符，然后判断这个里面有哪些事件以读取数据。
2. 等于0：表示没有socket描述符有状态变化，并且调用超时。
3. 小于0：此时表示有错误发生，此时全局变量errno保存错误码。

四，内核实现

      poll系统调用的内核实现是sys_poll，其代码如下：

asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,long timeout_msecs){s64 timeout_jiffies;int ret;if (timeout_msecs > 0) {#if HZ > 1000/* We can only overflow if HZ > 1000 */if (timeout_msecs / 1000 > (s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)timeout_jiffies = -1;else#endiftimeout_jiffies = msecs_to_jiffies(timeout_msecs);} else {/* Infinite (< 0) or no (0) timeout */timeout_jiffies = timeout_msecs;}ret = do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);if (ret == -EINTR) {struct restart_block *restart_block;restart_block = &current_thread_info()->restart_block;restart_block->fn = do_restart_poll;restart_block->arg0 = (unsigned long)ufds;restart_block->arg1 = nfds;restart_block->arg2 = timeout_jiffies & 0xFFFFFFFF;restart_block->arg3 = (u64)timeout_jiffies >> 32;ret = -ERESTART_RESTARTBLOCK;}return ret;}

这个函数还是比较容易理解，包括三个部分的工作：

1. 函数调用超时阻塞时间转换，根据内核的软时钟设置频率将超时时间设置为jiffies标准时间。
2. 调用do_sys_poll，这里完成主要的工作。
3. 如果当前进程有待处理的信号，则先处理信号，这是根据do_sys_poll返回来决定的，事实上在这个调用中会检查当前的进程是否有未处理信号，如果有，就会返回EINTR以处理信号，然后返回-ERESTART_RESTARTBLOCK，这会导致重新调用。

进入到do_sys_poll函数中

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout){struct poll_wqueues table; int err = -EFAULT, fdcount, len, size;/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be   faster - use long to make sure the buffer is aligned properly   on 64 bit archs to avoid unaligned access */long stack_pps[POLL_STACK_ALLOC/sizeof(long)];struct poll_list *const head = (struct poll_list *)stack_pps; struct poll_list *walk = head; unsigned long todo = nfds;if (nfds > current->signal->rlim[RLIMIT_NOFILE].rlim_cur)return -EINVAL;len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);for (;;) {walk->next = NULL;walk->len = len;if (!len)break;if (copy_from_user(walk->entries, ufds + nfds-todo,sizeof(struct pollfd) * walk->len))goto out_fds;todo -= walk->len;if (!todo)break;len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);if (!walk) {err = -ENOMEM;goto out_fds;}}pollfdpoll_initwait(&table);fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);poll_freewait(&table);for (walk = head; walk; walk = walk->next) {struct pollfd *fds = walk->entries;int j;for (j = 0; j < walk->len; j++, ufds++)if (__put_user(fds[j].revents, &ufds->revents))goto out_fds;  }err = fdcount;out_fds:walk = head->next;while (walk) {struct poll_list *pos = walk;walk = walk->next;kfree(pos);}return err;}

为了加快处理速度和提高系统性能，这里优先使用已经定好的一个栈空间，其大小为POLL_STACK_ALLOC，在我系统上，其值为256，大小为256个字节的栈空间转换为struct poll_list结构，以存储需要被检测的socket描述符，struct poll_list的结构如下：

struct poll_list {struct poll_list *next;int len;struct pollfd entries[0];};

上面可以看到该结构的entries为一个数组，结构为struct pollfd，这个有点眼熟，没错，它就是存储poll调用中需要被检测的socket描述符。那么前面分配的栈空间能存储多少个struct pollfd呢？这计算如下：

len = min_t(unsigned int, nfds, N_STACK_PPS);

式中的N_STACK_PPS就是计算前面默认的固定栈大小能够存储多少个struct pollfd的

#define N_STACK_PPS ((sizeof(stack_pps) - sizeof(struct poll_list))  / \sizeof(struct pollfd))

然后就复制len个struct pollfd至内核空间，这里有细心的用户就会发现：如果nfds比N_STACK_PPS大的话，怎么办呢？注意上面的函数，是一个循环，如果nfds比N_STACK_PPS大（事实上，一般都会比这里大），那么会再请求内存，然后接着复制，就是这个代码片段：

                len = min(todo, POLLFD_PER_PAGE);size = sizeof(struct poll_list) + sizeof(struct pollfd) * len;walk = walk->next = kmalloc(size, GFP_KERNEL);if (!walk) {err = -ENOMEM;goto out_fds;}}

POLLFD_PER_PAGE表示一页的内存能够存储多少个struct pollfd，可以计算一下，一页是4K，而struct pollfd的内存占用8个字节，就是一页的内存可以将近存储512个socket描述符。如果在分配一页的内存之后，还不够nfds来用，没关系，循环不会退出的，会再分配一个页，并且所有分配的块都被struct poll_list链接起来，上面可以看到，这个结构有一个next域，就是专门做这个的。

在这之后，就会形成一个以stack_pps存储空间为头，然后一页一页分配的内存为接点的链表，这个链表上就存储了poll调用时传入的所有的socket描述符。

接下来调用一个很重要的部分

poll_initwait(&table);fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);poll_freewait(&table);

这是最重要的部分，因为接下来的部分比较容易理解，在这之后，做两件事：

1. 将链表上的所有struct pollfd中的revents的状态写入到用户空间（记得之前也从用户空间写入过内核空间，这是因为内核态地址，用户空间应用不能访问），所以需要写入到用户空间中去。
2. 之前调用kmalloc分配了很多内存，现在要释放了，所以要从stack_pps地址处的head开始，顺着next不断的释放内存。

再回到最重要的部分，先看poll_initwait调用，下面是主要相关的数据结构

struct poll_wqueues {poll_table pt;struct poll_table_page * table;int error;int inline_index;struct poll_table_entry inline_entries[N_INLINE_POLL_ENTRIES];};typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);typedef struct poll_table_struct {poll_queue_proc qproc;} poll_table;

poll_initwait函数如下：

void poll_initwait(struct poll_wqueues *pwq){init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);//设置poll_table结构中的qproc函数指针为__pollwait函数，就是pwq->pt->qproc=__pollwait。这个函数是一个回调函数，基本上这种机制的实现，就是依靠回调函数了。pwq->error = 0;pwq->table = NULL;pwq->inline_index = 0;}

所以poll_initwait就是初始化了poll_wqueues table，主要是将其结构中的函数指针设置为__pollwait函数。那么这个函数是做什么的呢？我们先看poll_initwait之后调用的函数，就是do_poll函数，其实现如下：

注意下面函数在调用时的参数，参数有这么几个nfds, head, &table, timeout，参数就容易理解了：nfds表示poll调用时传入的数组中struct pollfd的个数，head其实是表示将poll调用时传入的数组，因为全部都表示为struct poll_list链表了（前面分析的，还记得吧），table是刚刚初始化的一个，里面暂时就只是包含一个回调函数的指针，就是__pollwait函数。timeout表示超时时间。

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,   struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout){int count = 0;poll_table* pt = &wait->pt;/* Optimise the no-wait case */if (!(*timeout))pt = NULL;for (;;) {struct poll_list *walk;long __timeout;set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);for (walk = list; walk != NULL; walk = walk->next) {struct pollfd * pfd, * pfd_end;pfd = walk->entries;pfd_end = pfd + walk->len;for (; pfd != pfd_end; pfd++) {/* * Fish for events. If we found one, record it * and kill the poll_table, so we don't * needlessly register any other waiters after * this. They'll get immediately deregistered * when we break out and return. */if (do_pollfd(pfd, pt)) {count++;pt = NULL;}}}/* * All waiters have already been registered, so don't provide * a poll_table to them on the next loop iteration. */pt = NULL;if (!count) {count = wait->error;if (signal_pending(current))count = -EINTR;}if (count || !*timeout)break;if (*timeout < 0) {/* Wait indefinitely */__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;} else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {/* * Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in * a loop */__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;*timeout -= __timeout;} else {__timeout = *timeout;*timeout = 0;}__timeout = schedule_timeout(__timeout);if (*timeout >= 0)*timeout += __timeout;}__set_current_state(TASK_RUNNING);return count;}

这个函数有以下几个要注意的点：

1. 信号处理保障。在这个函数中先将当前进程设置为可以被信号中断，就是set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)这一行，后面还会检查是否有需要处理的信号signal_pending(current)。这里的意思是就算是poll调用进入到sys_poll系统调用之后，也可以接收外部信号，从而退出当前系统调用（因为我们知道一般的系统调用都不会被中断的，所以系统调用一般都尽量很快的返回）。
2. 外部大循环退出的条件，外部大循环退出的条件只有if (count || !*timeout) break;后面的条件容易理解，就是超时，前面的count是什么意思？它在每次调用do_pollfd函数之后，都有可能会加1，其实调用do_pollfd就是检查socket描述符状态的变化，如果有变化，就会使count加1，所以在结束内部遍历之后，count保存了所有的有状态变化的socket描述符数量。
3. 这个函数会对之前以head为头结点的链表进行遍历，然后链表上每个结点中都包含很多很多的struct pollfd进行遍历（这些struct pollfd都被存储在struct poll_list结构的数组字段struct pollfd entries里面。
4. 然后对每个struct pollfd调用do_pollfd（这会调用很多次，根据你传入多少个socket描述符而定），这个函数需要两个参数，一个是struct pollfd，这没得说的，另一个是刚刚初始化的table，就是那个暂时只是包含__pollwait回调指针的结构，还记得吧。

我们再进入do_pollfd，了解这个函数是做什么的？

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait){unsigned int mask;int fd;mask = 0;fd = pollfd->fd;if (fd >= 0) {int fput_needed;struct file * file;file = fget_light(fd, &fput_needed);mask = POLLNVAL;if (file != NULL) {mask = DEFAULT_POLLMASK;if (file->f_op && file->f_op->poll)mask = file->f_op->poll(file, pwait);/* Mask out unneeded events. */mask &= pollfd->events | POLLERR | POLLHUP;fput_light(file, fput_needed);}}pollfd->revents = mask;return mask;}

这个函数很简单，先根据socket描述符或者是文件句柄找到进程对应的struct file *file结构，然后调用file->f_op->poll(file,pwait)，这是这个函数的核心调用，这其实也是linux的VFS的一部分，这会根据当前的文件是什么类型的文件来选择调用的入口，如file是socket网络文件，此时调用的就是由网络驱动设备来实现的poll，如果file是ext3等文件系统上打开的一个文件，那就会调用由该文件系统来实现的poll函数，我们以tcp_poll为例来了解一般poll完成什么工作；

注意下面的参数，file和wait是由file->f_op->poll调用传入的参数，而struct socket为socket连接的进程方面表示。

unsigned int tcp_poll(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait){unsigned int mask;struct sock *sk = sock->sk;struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);if (sk->sk_state == TCP_LISTEN)return inet_csk_listen_poll(sk);/* Socket is not locked. We are protected from async events   by poll logic and correct handling of state changes   made by another threads is impossible in any case. */mask = 0;if (sk->sk_err)mask = POLLERR;/* * POLLHUP is certainly not done right. But poll() doesn't * have a notion of HUP in just one direction, and for a * socket the read side is more interesting. * * Some poll() documentation says that POLLHUP is incompatible * with the POLLOUT/POLLWR flags, so somebody should check this * all. But careful, it tends to be safer to return too many * bits than too few, and you can easily break real applications * if you don't tell them that something has hung up! * * Check-me. * * Check number 1. POLLHUP is _UNMASKABLE_ event (see UNIX98 and * our fs/select.c). It means that after we received EOF, * poll always returns immediately, making impossible poll() on write() * in state CLOSE_WAIT. One solution is evident --- to set POLLHUP * if and only if shutdown has been made in both directions. * Actually, it is interesting to look how Solaris and DUX * solve this dilemma. I would prefer, if PULLHUP were maskable, * then we could set it on SND_SHUTDOWN. BTW examples given * in Stevens' books assume exactly this behaviour, it explains * why PULLHUP is incompatible with POLLOUT.--ANK * * NOTE. Check for TCP_CLOSE is added. The goal is to prevent * blocking on fresh not-connected or disconnected socket. --ANK */if (sk->sk_shutdown == SHUTDOWN_MASK || sk->sk_state == TCP_CLOSE)mask |= POLLHUP;if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)mask |= POLLIN | POLLRDNORM | POLLRDHUP;/* Connected? */if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {/* Potential race condition. If read of tp below will * escape above sk->sk_state, we can be illegally awaken * in SYN_* states. */if ((tp->rcv_nxt != tp->copied_seq) &&    (tp->urg_seq != tp->copied_seq ||     tp->rcv_nxt != tp->copied_seq + 1 ||     sock_flag(sk, SOCK_URGINLINE) || !tp->urg_data))mask |= POLLIN | POLLRDNORM;if (!(sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN)) {if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk)) {mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;} else {  /* send SIGIO later */set_bit(SOCK_ASYNC_NOSPACE,&sk->sk_socket->flags);set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);/* Race breaker. If space is freed after * wspace test but before the flags are set, * IO signal will be lost. */if (sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk))mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;}}if (tp->urg_data & TCP_URG_VALID)mask |= POLLPRI;}return mask;}

上面的tcp_poll看上去很长，但核心的的调用是：

poll_wait(file, sk->sk_sleep, wait);

这个函数的file和wait是我们在poll调用过程中传入的参数，sk->sk_sleep是什么呢？这里解释一下

sk的值是

struct sock *sk = sock->sk;

struct sock是socket连接的内核表示，sk->sk_sleep是struct wait_queue_head_t结构类型，这表示的是socket的等待队列，每一个socket都有自己的一个等待队列，由内核结构struct sock来维护。

其实大多数驱动实现的时候，此时都调用这个函数，这个函数也很简单，实现如下：

static inline 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);}

现在一个转折点出现了，前面我们说过初始化table的函数指针为__pollwait，那么此时调用的就是__pollwait(filp,wait_address,p)，这里的参数分别表示为进程表示文件结构struct file，socket或设备的等待队列wait_queue_head_t，和poll_table。

再回顾一下，到此为止，从我们调用poll函数开始，然后复制数据至内核、将struct pollfd表示为内核的struct poll_list链表、初始化poll_table变量、然后调用do_pollfd函数等过程，其实都是为了检查poll传递的每个struct pollfd是否有状态变化，也就是调用VFS的file->f_op->poll函数，这就到了__pollwait函数这里来了，这个函数会往等待队列上添加一个新的结点。

__pollwait的实现

static void __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);}

我们现在来分析一下，__pollwait调用完成之后，内核做了什么？先看一下poll_get_entry(p);

static struct poll_table_entry *poll_get_entry(poll_table *_p){struct poll_wqueues *p = container_of(_p, struct poll_wqueues, pt);struct poll_table_page *table = p->table;if (p->inline_index < N_INLINE_POLL_ENTRIES)return p->inline_entries + p->inline_index++;if (!table || POLL_TABLE_FULL(table)) {struct poll_table_page *new_table;new_table = (struct poll_table_page *) __get_free_page(GFP_KERNEL);if (!new_table) {p->error = -ENOMEM;__set_current_state(TASK_RUNNING);return NULL;}new_table->entry = new_table->entries;new_table->next = table;p->table = new_table;table = new_table;}return table->entry++;}

这个函数会根据情况创建struct poll_table_page结构，因为__pollwait在系统中是会被多次调用的，所以可能会有多个struct poll_table_page结构，这个结构是对struct poll_table_entry的一个封装，其结构如下所示：

struct poll_table_page {struct poll_table_page * next;struct poll_table_entry * entry;struct poll_table_entry entries[0];};struct poll_table_entry {struct file * filp;wait_queue_t wait;wait_queue_head_t * wait_address;};

所以在调用poll_get_entry之后，会返回一个新的poll_table_entry，这也是每次调用__pollwait都会产生的。接下来调用init_waitqueue_entry函数将这个新建的struct poll_table_entry和当前的进程绑定起来，再将struct poll_table_entry加入到socket的等待队列。这样就将当前进程和socket的等待队列联系，说白了，就是把current挂到等待队列上。

因为一旦有数据就绪，就会叫醒等待队列上的进程。可以看代码

static inline void init_waitqueue_entry(wait_queue_t *q, struct task_struct *p){q->flags = 0;q->private = p;q->func = default_wake_function;}

这里同时，注册了一个数据就绪时的叫醒函数

int default_wake_function(wait_queue_t *curr, unsigned mode, int sync,  void *key){return try_to_wake_up(curr->private, mode, sync);}

这就完成了调用。再来所有回顾一下

1. 调用poll函数。
2. 进入sys_poll等系列内核调用。
3. 准备数据：，注册__pollwait（这是通过初始化poll_wqueues来完成的），复制数据至内核，重新组织成struct poll_list等等。
4. 对所有的struct pollfd循环，以调用do_pollfd函数。
5. do_pollfd调用file->f_op->poll函数。
6. 然后调用__pollwait创建一个struct poll_table_entry，并将其与当前进程绑定。
7. 将当前进程挂在socket的等待队列上。
8. 有数据就绪时唤醒进程。