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Linux select/poll/epoll 原理（三）poll 实现

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针对 select 系统调用的三个不足，poll 解决的是第一个、最多 1024 个 FD 限制的问题。

其实现思路是：
1. 不再使用位图来传递事件和结果，而是使用 pollfd 。 结构体数组来传递。
2. 在内部实现时，以 poll_list 链表的形式来分批次保存 pollfd 。不像 select 那样一次申请完整的一大块内存。
3. 通过从进程的信号量里获取能打开的最大文件数量，解决 1024 个限制的问题。

0. 基本数据结构

// 源码位置：include/uapi/asm-generic/poll.h
struct pollfd {
    int fd;         // FD
    short events;   // 输入的敢兴趣事件
    short revents;  // 输出的结果
};

// 源码位置：fs/select.c
struct poll_list {
    struct poll_list *next;

    // entries 指向的数组里 pollfd 的数量
    int len;

    // 指向 pollfd 数组的指针
    struct pollfd entries[0];
};

pollfd 结构体用来传递单个FD的输入事件、输出结果。

poll_list 是一个链表，其节点指向 pollfd 结构体的数组，这个数组要么是在栈上预分配、要么是按内存页分配(保持页对齐)。

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Linux select/poll/epoll 原理（二）select 实现

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阅读源码时看到一个结构体的定义不知道在哪时，可以通过这个网站来查找，非常方便。

__user 是一个宏定义，表示用户空间的，内核不能直接使用，需要使用函数 copy_from_user/copy_to_user 进行处理。

0. 进程打开的文件

进程的表示：

// 源码位置：include/linux/sched.h
struct task_struct {
    // ....省略其他属性

    /* 文件系统信息: */
    struct fs_struct        *fs;

    /* 打开的文件信息: */
    struct files_struct     *files;

    // ....省略其他属性
}

进程维护打开的文件的数据结构：

// 源码位置：include/linux/fdtable.h
struct files_struct {
  /*
   * read mostly part
   */
    atomic_t count;
    bool resize_in_progress;
    wait_queue_head_t resize_wait;

    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;
  /*
   * written part on a separate cache line in SMP
   */
    spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
    unsigned int next_fd;
    unsigned long close_on_exec_init[1];
    unsigned long open_fds_init[1];
    unsigned long full_fds_bits_init[1];
    struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

struct fdtable {
    // 进程能打开的最大文件数
    unsigned int max_fds;
    struct file __rcu **fd;         /* current fd array */
    unsigned long *close_on_exec;

    // 当前打开的一组文件
    unsigned long *open_fds; 
    unsigned long *full_fds_bits;
    struct rcu_head rcu;
};

static inline bool fd_is_open(unsigned int fd, const struct fdtable *fdt)
{
    return test_bit(fd, fdt->open_fds);
}

小结：进程打开的文件维护在位图 fdtable.open_fds 里，对应的比特位为 1 表示文件打开，为 0 是关闭。

select 里传递事件也借鉴了这种思想，通过位图来传递，FD 对应的比特位为 1 表示对事件感兴趣或有事件发生。

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Linux select/poll/epoll 原理（一）实现基础

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本序列涉及的 Linux 源码都是基于 linux-4.14.143 。

1. 文件抽象 与 poll 操作

1.1 文件抽象

在 Linux 内核里，文件是一个抽象，设备是个文件，网络套接字也是个文件。

文件抽象必须支持的能力定义在 file_operations 结构体里。

在 Linux 里，一个打开的文件对应一个文件描述符 file descriptor/FD，FD 其实是一个整数，内核把进程打开的文件维护在一个数组里，FD 对应的是数组的下标。

文件抽象的能力定义：

// 源码位置：include/linux/fs.h
struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);

    // 对于 select/poll/epoll 最重要的实现基础
    // 非阻塞的轮询文件状态的函数
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

    // 省略其他函数指针
} __randomize_layout;


// 源码位置：include/linux/poll.h
typedef struct poll_table_struct {
    // 文件的 file_operations.poll 实现一定会调用的队列处理函数
    poll_queue_proc _qproc;

    // poll 操作敢兴趣的事件
    unsigned long _key;
} poll_table;

// poll 队列处理函数
typedef void (*poll_queue_proc)(struct file *, wait_queue_head_t *, struct poll_table_struct *);

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