面试题：C语言网络编程优化及高级特性

优化TCP连接性能

TCP_NODELAY：
- 作用：禁用Nagle算法。Nagle算法会将小的数据包积攒起来，等数据包达到一定大小或者等待一段时间后再发送，以减少网络拥塞。在高并发且数据量小的场景下，这可能会导致数据传输延迟。设置TCP_NODELAY可让数据立即发送。
- 设置方法：在C语言中，使用setsockopt函数来设置。示例代码如下：
```
int sockfd;
int flag = 1;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (const char*)&flag, sizeof(flag));
```
TCP_CORK：
- 作用：与TCP_NODELAY相反，它会将数据积攒起来，直到达到一定条件（如缓存满或者调用send函数并设置MSG_MORE标志）才发送，适用于批量发送数据的场景，可减少网络开销。
- 设置方法：同样使用setsockopt函数。示例代码如下：
```
int sockfd;
int flag = 1;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_CORK, (const char*)&flag, sizeof(flag));
```

调整缓冲区大小：

接收缓冲区：通过SO_RCVBUF选项设置。增大接收缓冲区可减少丢包的可能性，特别是在网络拥塞时。设置方法如下：

int sockfd;
int recvbuf = 65536;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (const char*)&recvbuf, sizeof(recvbuf));

发送缓冲区：通过SO_SNDBUF选项设置。增大发送缓冲区可提高发送效率。设置方法如下：

int sockfd;
int sndbuf = 65536;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (const char*)&sndbuf, sizeof(sndbuf));

epoll机制实现高效I/O多路复用

epoll工作原理：
- 内核数据结构：epoll在内核中维护了一个红黑树来管理监控的文件描述符，同时还有一个就绪链表来存放就绪的文件描述符。
- 注册过程：应用程序通过epoll_ctl函数向epoll内核对象中添加、修改或删除要监控的文件描述符。这些文件描述符会被插入到红黑树中。
- 等待过程：应用程序调用epoll_wait函数等待文件描述符就绪。当有文件描述符就绪时，内核会将其从红黑树中取出并放入就绪链表。epoll_wait函数返回时，会将就绪链表中的文件描述符返回给应用程序。
与select、poll相比的优势：
- select：
  - 文件描述符数量限制：通常有最大数量限制（如1024）。
  - 效率：每次调用select都需要将所有监控的文件描述符集合从用户空间拷贝到内核空间，并且返回时需要遍历整个集合来检查哪些文件描述符就绪，时间复杂度为O(n)。
- poll：
  - 文件描述符数量限制：理论上没有限制，但实际应用中受限于系统资源。
  - 效率：同样每次调用poll需要将所有监控的文件描述符集合从用户空间拷贝到内核空间，返回时也需要遍历整个集合来检查就绪情况，时间复杂度为O(n)。
- epoll：
  - 文件描述符数量限制：理论上没有限制，仅受限于系统资源。
  - 效率：使用红黑树管理文件描述符，注册时只需要将文件描述符插入红黑树，不需要每次都拷贝到内核空间。就绪时通过就绪链表直接返回就绪的文件描述符，时间复杂度为O(1)。

基于epoll的简单C语言网络服务器代码框架

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8888

int main() {
    int listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    int epollfd;

    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(listenfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(listenfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(listenfd, 10) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(listenfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    epollfd = epoll_create1(0);
    if (epollfd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        close(listenfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;
    if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev) == -1) {
        perror("epoll_ctl: listenfd");
        close(listenfd);
        close(epollfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (;;) {
        int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait");
            break;
        }

        for (int n = 0; n < nfds; ++n) {
            if (events[n].data.fd == listenfd) {
                socklen_t len = sizeof(cliaddr);
                connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
                if (connfd == -1) {
                    perror("accept");
                    continue;
                }

                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                ev.data.fd = connfd;
                if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev) == -1) {
                    perror("epoll_ctl: connfd");
                    close(connfd);
                }
            } else {
                int fd = events[n].data.fd;
                char buf[1024];
                int nread = read(fd, buf, sizeof(buf));
                if (nread == -1) {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                        continue;
                    } else {
                        perror("read");
                        epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
                        close(fd);
                    }
                } else if (nread == 0) {
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
                    close(fd);
                } else {
                    // 处理接收到的数据
                    write(fd, buf, nread);
                }
            }
        }
    }

    close(listenfd);
    close(epollfd);
    return 0;
}

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